基于LabVIEW 的電子輔助水泵檢測系統*

許冀陽 李松峰

（1-陜西工業職業技術學院汽車工程學院 陜西 咸陽 712000 2-長安大學汽車學院）

引言

電子輔助水泵作為一種新型的冷卻系統水泵，廣泛應用于渦輪增壓發動機，有效解決了渦輪增壓器在發動機停止運轉后的散熱問題。當發動機停止運轉后，渦輪增壓器溫度仍較高，ECU 控制電子輔助水泵繼續工作，使發動機冷卻液不斷流動，減少熱負荷，有效解決了發動機熄火后渦輪增壓器因過熱而導致的故障隱患[1-2]。由于水泵生產企業制造工藝水平的不穩定，導致水泵新產品的質量水平和性能指標存在差異，故需對水泵進行相關性能測試，通過對流量、功率、揚程和效率等參數的檢測來判斷其性能的優劣[3-4]。這些參數相互之間存在著相對應的關系，當流量與轉速變化時，會引起其他參數變化[5]。利用水泵性能測試試驗，獲得不同運行工況下的參數指標，并通過關系式計算，得到水泵各性能參數之間的變化關系[6]。因此，有必要對電子輔助水泵新產品進行檢測試驗及性能參數數據采集[7]。

美、日、歐等國家和地區在水泵性能檢測方面的研究較早，已開發出相當成熟的檢測系統，尤其是通過計算機輔助實現了高自動化檢測。如德國的KSB公司和美國的TecQuipmentInc 公司都采用了以計算機為核心的自動化數據采集檢測系統。但該系統在數據分析處理方面略顯不足，同時檢測效率不高[8]。由于計算機技術和傳感器技術的不斷創新和突破，水泵測試技術正朝著高自動化、多功能化方向發展。武漢理工大學、中國農業機械化科學研究院、江蘇大學等單位經過長期研究，開發出了各具特色的水泵性能參數測試系統，引領了國內水泵檢測系統的發展方向。但檢測精度較低，檢測系統價格較高，同時大多測試系統檢測儀器多，控制軟件界面不夠友好[9-10]。針對上述問題，根據QC/T 288.2-2001《汽車發動機冷卻水泵試驗方法》[11]，基于labVIEW 2014 虛擬儀器平臺，結合傳感器技術和計算機技術，開發了一款適合生產環境、快速、穩定、通用的電子輔助水泵檢測系統，檢測水泵的參數,判斷其性能是否滿足發動機冷卻系統的要求。

1 方案總體設計

1.1 水泵檢測系統性能試驗

根據QC/T 288.2-2001 規定的水泵性能試驗要求，測試試驗中，控制電子輔助水泵工作在某一固定轉速，改變調節閥開度大小，調整水泵流量，并保持測試系統穩定運行，檢測電子輔助水泵的運行參數。本文中，主要檢測電子輔助水泵的性能。表征電子輔助水泵性能的參數有功率、效率、流量和揚程，由于電子輔助水泵在殼體內高度集成了葉輪、內部腔室和控制電機，故水泵功率無法通過直接測量轉速和轉矩再進行計算的方式得到，而是通過檢測輸入水泵的電流和電壓來測量輸入功率。水泵揚程與流量、功率有直接關系，與進出口的壓力差成正比，計算公式如下。

式中：pout、pin分別為水泵的進出口壓力，Pa；ΔH 為進出口端面高度差，m；ρ 為液體密度，kg/m3；g 為重力加速度，m/s2。

因此，在電子輔助水泵性能測試中，主要對轉速、流量、進出口壓差、水泵輸入電壓和電流等參數進行測量。

1.2 水泵檢測系統的主要功能

本文基于LabVIEW 開發的電子輔助水泵檢測系統，保證檢測系統處在穩定的狀態下，水泵轉速一定時，測量揚程、功率和效率隨流量的變化關系。通過改變閥門開度的大小，實現對流量的穩定控制，保證流量穩定流動，采集電子輔助水泵試驗數據，生成性能曲線圖。

本文開發的電子輔助水泵測試系統主要有以下功能：

1）對冷卻系統的電子輔助水泵進行性能測試；

2）實時讀取被檢測水泵的流量、進出口壓差、功率等運行參數；

3）電子輔助水泵的運行參數和對應的性能參數可自動保存；

4）可實現最多4 種功能的自動檢測，包括特征點檢測、性能曲線檢測、調速檢測以及過電壓檢測；

5）設置后，可適用于不同型號的輔助冷卻液泵的檢測；

6）可對檢測的歷史數據進行查詢。

1.3 水泵檢測系統的硬件結構設計

該檢測系統以工控機為平臺，包括信號檢測裝置、數據采集裝置、控制裝置及試驗臺架等。整個檢測系統由工控機、數據采集卡、控制電路、電動比例閥、流量計、壓差計、水路系統等相關部件組成，對電子輔助水泵的相關性能參數進行采集和處理。該檢測系統試驗臺架的布置如圖1 所示。

圖1 水泵檢測系統試驗臺架布置圖

2 測試原理

2.1 檢測系統的檢測參數

本文主要開展水泵性能試驗，即檢測水泵在給定轉速、不同流量下的運行參數。試驗中，直接測量的參數有轉速、流量、進出口壓差、水泵輸入電壓和電流，通過軟件分析和計算得到揚程（H）、功率（P）、效率（η）等性能參數，生成水泵Q-H（流量-揚程）、Q-P（流量-功率）、Q-η（流量-效率）等性能曲線，從而判斷電子輔助水泵是否達到出廠標準。

2.2 檢測系統的控制和數據采集

水泵檢測系統由傳感器、多功能數據采集卡和計算機組成，如圖2 所示。

圖2 水泵檢測系統信號采集和控制框圖

各種傳感器對水泵性能參數進行數據采集和信號處理，轉化為能夠識別的電信號送至數據采集卡，再通過USB 端口輸入計算機，實現對電子輔助水泵進出口壓差、流量、轉速、電壓和電流等參數的測量，并完成數據的采集、存儲和處理，最終經過計算得出揚程、功率和效率等性能參數。檢測系統中使用的傳感器主要有：流量傳感器、進出口壓差傳感器、電流傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器等。傳感器選型為：流量檢測選用LWGY 系列流量計，量程為10～100 L/min；壓差傳感器選用T20C 壓力變送器，量程為0～100 kPa；電流檢測選用ACS712 電流傳感器，量程為-5～5 A。

2.3 水泵檢測系統工作原理

在開展水泵性能檢測試驗時，應先設定轉速范圍和流量測試點的個數。轉速范圍選取為40%～120%水泵額定轉速，均勻間隔選取4 種或4 種以上不同轉速進行檢測試驗。水泵在設定的轉速下運行時，通過計算機控制電動比例閥全開，逐步調節流量從最大值到最小值，均勻選取8 個以上檢測流量點，待流量穩定后，讀取檢測儀器在各選取流量點的參數，如流量大小、電子輔助水泵輸入電流和電壓以及進出口壓差，并結合計算軟件分析和計算，得出水泵性能參數，繪制出設定各轉速下的Q-H、Q-P、Q-η性能曲線。

3 軟件設計

3.1 水泵檢測系統軟件設計

在本次開發設計的電子輔助水泵性能檢測系統中，采用了美國NI 公司的專用圖形化編程語言LabVIEW[12]。該軟件平臺使用可視化界面，采用圖形化數據流式編程語言，通過數據線將各種功能模塊的圖標連線，進行語言程序開發[13-14]。它開發周期短，編程效率高，特別適用于數據采集、信號分析處理軟件設計和虛擬儀器開發。該LabVIEW 測試軟件界面友好直觀，可提高檢測效率。

3.2 檢測系統軟件主要界面

軟件主要界面如圖3 所示。A 區為電動比例閥狀態指示燈，顯示電動比例閥的工作狀態，分為閃爍、常亮以及常暗3 種狀態；B 區為數據顯示區，實時顯示各測量值；C 區為功能選擇區，可選擇需要進行的檢測項目；D 區為功能顯示區，選擇功能后，此區域將跳轉至對應的工作頁面，默認頁面為特征點檢測；E 區為檢測控制區。

圖3 檢測系統控制界面

3.3 軟件模塊化設計程序

該檢測系統軟件設計采用模塊化結構設計，主程序調用方便、邏輯清晰，每個功能獨立的模塊作為一個子程序。根據該檢測系統的各項功能需求，由流量控制、數據采集處理、數據存儲、曲線擬合以及結果查詢等5 個子程序組成控制主程序，在水泵性能檢測試驗中，調節轉速達到測試目標，控制電動比例閥，使閥門全開，設定8 個流量穩定等分檢測點。通過控制電動比例閥，實現閉環PID 控制流量。同時，利用相關傳感器不斷采集水泵流量、進出口壓差、輸入電流和電壓，然后計算出水泵揚程、功率和效率。

4 試驗驗證與分析

為驗證所開發的電子輔助水泵檢測系統的檢測精度和可靠性，搭建了檢測試驗臺，如圖4 所示。

圖4 電子輔助水泵檢測系統試驗臺

性能試驗中，將電子輔助水泵的轉速設定為3 700 r/min，根據水泵流量范圍，控制電動比例閥，調節流量大小，選取8 個點進行試驗，測量電子輔助水泵在不同流量點的輸入功率、輸出功率和進出口壓差，系統自動生成功率、進出口壓差隨流量變化的關系曲線，如圖5 所示。

圖5 性能曲線檢測

5 結論

本次開發設計的水泵檢測系統是集傳感器、自動化控制、計算機與測試技術于一體的智能檢測系統。該檢測系統成熟可靠、穩定性好、精度高、抗電磁干擾能力強。同時，操作界面友好、操作簡單、數據顯示直觀，可以在計算機控制下自動完成性能參數曲線的繪制，水泵檢測效率大幅提升。