熱力膨脹閥開度測試系統(tǒng)研制

劉 鵬，蔣 慶，馬天明，王彥峰

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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熱力膨脹閥開度測試系統(tǒng)研制

劉 鵬，蔣 慶，馬天明，王彥峰

(中國計量大學(xué) 計量測試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

根據(jù)國標(biāo)QC/T663—2000，對熱力膨脹閥開度特性測試方法進行了研究，提出測試系統(tǒng)方案、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計，對測試結(jié)果進行了分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的測量指標(biāo)均達到技術(shù)要求，且具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點。

熱力膨脹閥； 開度； 測控系統(tǒng)

0 引 言

熱力膨脹閥是制冷系統(tǒng)的重要節(jié)流元件，其可根據(jù)蒸發(fā)器出口處的制冷劑溫度變化自動調(diào)節(jié)閥口的開度，從而調(diào)節(jié)流入蒸發(fā)器的制冷劑流量[1]。膨脹閥的開度性能是評價膨脹閥與制冷系統(tǒng)匹配的重要指標(biāo)。

傳統(tǒng)的熱力膨脹閥開度檢測設(shè)備存在自動化程度低、操作性差、測試不準(zhǔn)確等缺點，一次系統(tǒng)匹配開度測試時間需要半天時間[2]。因此，設(shè)計與開發(fā)一臺高精度、高效率的熱力膨脹閥開度測試系統(tǒng)，可大大提高企業(yè)進行熱力膨脹閥性能匹配實驗的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

熱力膨脹閥開度特性測試主要包括開度—壓力特性曲線、開度—溫度特性曲線的測試。

根據(jù)國標(biāo)QC/T663—2000，開度測試原理(以外平衡閥為例)如圖1所示。1)開度—壓力特性曲線的測試方法是將感溫包浸于0 ℃恒溫槽內(nèi)，調(diào)節(jié)壓力調(diào)節(jié)閥，向平衡口以0.01 MPa以下間隔增加壓力，測得對應(yīng)壓力下的膨脹閥開度；再以0.01 MPa以下間隔降低壓力，測得對應(yīng)壓力下的膨脹閥開度。2)開度—溫度特性曲線的測試方法是將感溫包浸于恒溫槽內(nèi)，向平衡口加標(biāo)準(zhǔn)額定條件的壓力(5 ℃時制冷劑所對應(yīng)的飽和壓力為0.35 MPa)，并以1 ℃以下間隔增加恒溫槽溫度，測得對應(yīng)溫度下的膨脹閥開度；再以1 ℃以下間隔降低恒溫槽溫度，測得對應(yīng)溫度下的膨脹閥開度。

圖1 膨脹閥開度特性測試原理圖Fig 1 Principle diagram of openness characteristic test of expansion valve

設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)4工位開度特性同步測試，平均測試節(jié)拍1個/h，壓力測試精度的要求為0.1 %，范圍0～0.35 MPa，開度測試精度的要求為0.01 mm，范圍0～3 mm，溫度控制波動度為±0.1 ℃，范圍0～25 ℃。

熱力膨脹閥開度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。1)可編程邏輯控制器(PLC)實現(xiàn)對執(zhí)行單元與溫控單元的控制以及對測試單元所測數(shù)據(jù)的處理，顯示器顯示測試結(jié)果，設(shè)定系統(tǒng)測試參數(shù)等。2)執(zhí)行單元：對相關(guān)電磁閥與電控比例閥的驅(qū)動。3)測試單元：對開度值、壓力值的測試。4)溫控單元：對恒溫槽溫度的控制。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig 2 Block diagram of system structure

1.1 系統(tǒng)氣路設(shè)計

開度測試系統(tǒng)的氣路原理框圖如圖3所示。氣源提供穩(wěn)定壓力的壓縮空氣，經(jīng)過濾減壓閥過濾雜質(zhì)并將壓力調(diào)至1 MPa。電控比例閥主要是為平衡口提供可通過PLC控制的壓力的作用，采用輸出量程為0～900 kPa，精度為滿量程的6 %。4個工位共用1個電控比例閥和恒溫槽，降低設(shè)計成本，實現(xiàn)多工位開度特性曲線同步測試，提高檢測效率。

圖3 系統(tǒng)氣路原理框圖Fig 3 Principle block diagram of system air path

1.2 系統(tǒng)電器設(shè)計

開度測試系統(tǒng)的電器原理框圖如圖4所示。系統(tǒng)選用歐姆龍CP1H系列的PLC與MCGS人機交互界面，PLC可以方便相關(guān)的數(shù)據(jù)采集處理、調(diào)試實驗；MCGS為用戶提供了一個良好的操作界面，方便對整個操作系統(tǒng)進行監(jiān)控，對相關(guān)的參數(shù)進行設(shè)置，以及電氣檢測和儀表修正等[3]。

該系統(tǒng)通過壓力變送器與位移傳感器采集相應(yīng)的壓力、位移模擬量，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集模塊傳輸給PLC，人機交互界面通過串行通信連接PLC，監(jiān)控整個測試過程。壓力變送器選用的是以擴散硅作為壓力檢測元件的壓阻式壓力變送器，量程為0～0.6 MPa，精度為0.1 %FS。位移傳感器是用來測量待測閥的閥桿位移(開度)，量程為0～10 mm,測量精度為0.008 mm。恒溫槽選用的量程為-5～30 ℃，控制波動度為±0.1 ℃。

圖4 系統(tǒng)電器原理框圖Fig 4 Electrical principle diagram of system

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件由PLC與MCGS 操作界面來實現(xiàn)，實現(xiàn)測試過程的自動化，實時顯示相關(guān)部件的狀態(tài)、測試結(jié)果等。軟件流程圖如圖5、圖6所示，特性曲線可在MCGS界面進行實時監(jiān)控，待測試完成后，還可將數(shù)據(jù)以Excel格式導(dǎo)出，供用戶分析。

圖5 開度—壓力測試流程圖Fig 5 Flow chart of opening-pressure test

2 測試結(jié)果分析

在將試驗工況控制在國標(biāo)要求的范圍后，對所試驗閥進行多次開度測試，取平均值，得到開度—壓力特性曲線、開度—溫度特性曲線，如圖7和圖8所示。

圖7所示，膨脹閥隨著平衡壓力的增加，閥口開度逐漸變小，直到平衡口壓力增加到0.2 MPa左右，閥口趨于關(guān)閉狀態(tài)。從開始增壓到全閉點過程中，隨著壓力升高，膨脹閥的開度幾乎呈線性減小。

圖6 開度—溫度測試流程圖Fig 6 Flow chart of opening-temperature test

圖7 開度—壓力特性曲線Fig 7 Characteristic curve of opening-pressure test

圖8 開度—溫度特性曲線Fig 8 Characteristic curve of opening-temperature test

圖8所示，膨脹閥在溫度低于6 ℃時，一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)溫度高于6 ℃后，膨脹閥開啟。膨脹閥的開啟點在感溫包溫度為6 ℃，全開點在16 ℃左右，從開啟點到全開點過程中，隨著溫度升高，膨脹閥的開度幾乎呈線性增加。

在汽車空調(diào)行業(yè)，常用機器能力指數(shù)來評價所開發(fā)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，它僅考慮設(shè)備本身因素對質(zhì)量的影響[4]。機器能力指數(shù)主要由兩部分組成，分別是準(zhǔn)確能力指數(shù)Cmk和重復(fù)性能力指數(shù)Cm。對于機器重復(fù)性能指數(shù)Cm，若Cm越大，則表示設(shè)備檢測的重復(fù)性越好。而對于準(zhǔn)確能力指數(shù)Cmk值越大，則設(shè)備的準(zhǔn)確性越好[5]。而且企業(yè)一般對于Cmk要求大于1.67，方能滿足企業(yè)的要求。

對于開度—壓力特性曲線，選取0.003,0.010,0.020 MPa 3個壓力點，用標(biāo)準(zhǔn)膨脹閥在4個工位分別測試3個壓力點所對應(yīng)的開度值各50次，并計算機器能力指數(shù)如表1所示。

3個壓力點所對應(yīng)開度的基準(zhǔn)值分別為0.770,0.590,0.000 mm，公差范圍為0.020 mm。

表1 開度—壓力曲線測試能力分析

由表1可知，對于所選取的3個壓力點，在4個工位測得對應(yīng)壓力下的開度值，計算得到Cm,Cmk均都大于1.67，所以,該系統(tǒng)對熱力膨脹閥開度—壓力特性曲線測試能力滿足企業(yè)要求。

同理，對于開度—溫度特性曲線，選取7.0,13.0,24.0 ℃共3個溫度點，用標(biāo)準(zhǔn)膨脹閥在4個工位分別測試3個溫度點所對應(yīng)的開度值各50次，并計算機器能力指數(shù)如表2所示。3個溫度點所對應(yīng)開度的基準(zhǔn)值分別為0.050,0.510,0.610 mm，公差范圍為0.02 mm。

由表2可知，計算得到Cm,Cmk均大于1.67，所以，該系

表2 開度—溫度曲線測試能力分析

統(tǒng)對熱力膨脹閥開度—溫度特性曲線測試能力滿足企業(yè)要求。

3 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，測量指標(biāo)達到技術(shù)要求，且具有便捷的人機交互操作界面。該系統(tǒng)已成功投入某企業(yè)的熱力膨脹閥開度特性測試中應(yīng)用半年，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，提高熱力膨脹閥性能匹配實驗的工作效率至少3倍以上，符合企業(yè)的生產(chǎn)檢測要求。

[1] 徐 博，江挺候，陳江平，等.熱力膨脹閥感溫元件特性試驗研究[J].制冷學(xué)報，2011,32(2):217-222.

[2] 郭曉鈴，姚 燕，蔣 慶，等.基于模糊自適應(yīng)的熱力膨脹閥容量測試系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2014,6(6):65-68.

[3] 張 璽，蔣 慶，邵建文，等.電子膨脹閥流量特性測試臺的設(shè)計與開發(fā)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2012,31(6):116-118.

[4] 蔣 慶，李 婷，姚 燕，等.模態(tài)參數(shù)識別在壓力開關(guān)同步檢測中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(11):142-148.

[5] 朱正德.機械加工設(shè)備能力的評定指標(biāo)機器能力指數(shù)[J].航空精密制造技術(shù),2003,39(3):25-28.

Research and fabrication of thermal expansion valve opening test system

LIU Peng,JIANG Qing,MA Tian-ming,WANG Yan-feng

(College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University, Hangzhou 310018,China)

According to national standard QC/T663—2000,study on opening characteristic test method of thermal expansion valve,put forward test system solutions,hardware structure and software design,and analyze on test result.The test results show that measurement indexes of the system meet technical requirements,and has advantages of stable,accurate and high efficient.

thermal expansion valve;opening;measurement and control system

10.13873/J.1000—9787(2016)11—0097—03

2016—08—08

TP 271

A

1000—9787(2016)11—0097—03

劉 鵬(1992-)，男，浙江金華人，碩士研究生，主要研究方向為自動化檢測。