劉 鵬，蔣 慶，馬天明，王彥峰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

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熱力膨脹閥開(kāi)度測(cè)試系統(tǒng)研制

劉 鵬，蔣 慶，馬天明，王彥峰

(中國(guó)計(jì)量大學(xué) 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

根據(jù)國(guó)標(biāo)QC/T663—2000，對(duì)熱力膨脹閥開(kāi)度特性測(cè)試方法進(jìn)行了研究，提出測(cè)試系統(tǒng)方案、硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)，對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該系統(tǒng)的測(cè)量指標(biāo)均達(dá)到技術(shù)要求，且具有穩(wěn)定、準(zhǔn)確、高效等優(yōu)點(diǎn)。

熱力膨脹閥； 開(kāi)度； 測(cè)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(dòng)調(diào)節(jié)閥口的開(kāi)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(kāi)度性能是評(píng)價(jià)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(kāi)度檢測(cè)設(shè)備存在自動(dòng)化程度低、操作性差、測(cè)試不準(zhǔn)確等缺點(diǎn)，一次系統(tǒng)匹配開(kāi)度測(cè)試時(shí)間需要半天時(shí)間[2]。因此，設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)一臺(tái)高精度、高效率的熱力膨脹閥開(kāi)度測(cè)試系統(tǒng)，可大大提高企業(yè)進(jìn)行熱力膨脹閥性能匹配實(shí)驗(yàn)的工作效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

熱力膨脹閥開(kāi)度特性測(cè)試主要包括開(kāi)度—壓力特性曲線、開(kāi)度—溫度特性曲線的測(cè)試。

根據(jù)國(guó)標(biāo)QC/T663—2000，開(kāi)度測(cè)試原理(以外平衡閥為例)如圖1所示。1)開(kāi)度—壓力特性曲線的測(cè)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(cè)得對(duì)應(yīng)壓力下的膨脹閥開(kāi)度；再以0.01 MPa以下間隔降低壓力，測(cè)得對(duì)應(yīng)壓力下的膨脹閥開(kāi)度。2)開(kāi)度—溫度特性曲線的測(cè)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(shí)制冷劑所對(duì)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(cè)得對(duì)應(yīng)溫度下的膨脹閥開(kāi)度；再以1 ℃以下間隔降低恒溫槽溫度，測(cè)得對(duì)應(yīng)溫度下的膨脹閥開(kāi)度。

圖1 膨脹閥開(kāi)度特性測(cè)試原理圖Fig 1 Principle diagram of openness characteristic test of expansion valve

設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)4工位開(kāi)度特性同步測(cè)試，平均測(cè)試節(jié)拍1個(gè)/h，壓力測(cè)試精度的要求為0.1 %，范圍0～0.35 MPa，開(kāi)度測(cè)試精度的要求為0.01 mm，范圍0～3 mm，溫度控制波動(dòng)度為±0.1 ℃，范圍0～25 ℃。

熱力膨脹閥開(kāi)度測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行單元與溫控單元的控制以及對(duì)測(cè)試單元所測(cè)數(shù)據(jù)的處理，顯示器顯示測(cè)試結(jié)果，設(shè)定系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)等。2)執(zhí)行單元：對(duì)相關(guān)電磁閥與電控比例閥的驅(qū)動(dòng)。3)測(cè)試單元：對(duì)開(kāi)度值、壓力值的測(cè)試。4)溫控單元：對(duì)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(jì)

開(kāi)度測(cè)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(guò)濾減壓閥過(guò)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(guò)PLC控制的壓力的作用，采用輸出量程為0～900 kPa，精度為滿(mǎn)量程的6 %。4個(gè)工位共用1個(gè)電控比例閥和恒溫槽，降低設(shè)計(jì)成本，實(shí)現(xiàn)多工位開(kāi)度特性曲線同步測(cè)試，提高檢測(cè)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(jì)

開(kāi)度測(cè)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(jī)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(shí)驗(yàn)；MCGS為用戶(hù)提供了一個(gè)良好的操作界面，方便對(duì)整個(gè)操作系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以及電氣檢測(cè)和儀表修正等[3]。

該系統(tǒng)通過(guò)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(jī)交互界面通過(guò)串行通信連接PLC，監(jiān)控整個(gè)測(cè)試過(guò)程。壓力變送器選用的是以擴(kuò)散硅作為壓力檢測(cè)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(lái)測(cè)量待測(cè)閥的閥桿位移(開(kāi)度)，量程為0～10 mm,測(cè)量精度為0.008 mm。恒溫槽選用的量程為-5～30 ℃，控制波動(dòng)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(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件由PLC與MCGS 操作界面來(lái)實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的自動(dòng)化，實(shí)時(shí)顯示相關(guān)部件的狀態(tài)、測(cè)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(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，待測(cè)試完成后，還可將數(shù)據(jù)以Excel格式導(dǎo)出，供用戶(hù)分析。

圖5 開(kāi)度—壓力測(cè)試流程圖Fig 5 Flow chart of opening-pressure test

2 測(cè)試結(jié)果分析

在將試驗(yàn)工況控制在國(guó)標(biāo)要求的范圍后，對(duì)所試驗(yàn)閥進(jìn)行多次開(kāi)度測(cè)試，取平均值，得到開(kāi)度—壓力特性曲線、開(kāi)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(kāi)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(kāi)始增壓到全閉點(diǎn)過(guò)程中，隨著壓力升高，膨脹閥的開(kāi)度幾乎呈線性減小。

圖6 開(kāi)度—溫度測(cè)試流程圖Fig 6 Flow chart of opening-temperature test

圖7 開(kāi)度—壓力特性曲線Fig 7 Characteristic curve of opening-pressure test

圖8 開(kāi)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(shí)，一直處于靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)溫度高于6 ℃后，膨脹閥開(kāi)啟。膨脹閥的開(kāi)啟點(diǎn)在感溫包溫度為6 ℃，全開(kāi)點(diǎn)在16 ℃左右，從開(kāi)啟點(diǎn)到全開(kāi)點(diǎn)過(guò)程中，隨著溫度升高，膨脹閥的開(kāi)度幾乎呈線性增加。

在汽車(chē)空調(diào)行業(yè)，常用機(jī)器能力指數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)所開(kāi)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(duì)質(zhì)量的影響[4]。機(jī)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(duì)于機(jī)器重復(fù)性能指數(shù)Cm，若Cm越大，則表示設(shè)備檢測(cè)的重復(fù)性越好。而對(duì)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(duì)于Cmk要求大于1.67，方能滿(mǎn)足企業(yè)的要求。

對(duì)于開(kāi)度—壓力特性曲線，選取0.003,0.010,0.020 MPa 3個(gè)壓力點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)膨脹閥在4個(gè)工位分別測(cè)試3個(gè)壓力點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度值各50次，并計(jì)算機(jī)器能力指數(shù)如表1所示。

3個(gè)壓力點(diǎn)所對(duì)應(yīng)開(kāi)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(kāi)度—壓力曲線測(cè)試能力分析

由表1可知，對(duì)于所選取的3個(gè)壓力點(diǎn)，在4個(gè)工位測(cè)得對(duì)應(yīng)壓力下的開(kāi)度值，計(jì)算得到Cm,Cmk均都大于1.67，所以,該系統(tǒng)對(duì)熱力膨脹閥開(kāi)度—壓力特性曲線測(cè)試能力滿(mǎn)足企業(yè)要求。

同理，對(duì)于開(kāi)度—溫度特性曲線，選取7.0,13.0,24.0 ℃共3個(gè)溫度點(diǎn)，用標(biāo)準(zhǔn)膨脹閥在4個(gè)工位分別測(cè)試3個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的開(kāi)度值各50次，并計(jì)算機(jī)器能力指數(shù)如表2所示。3個(gè)溫度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)開(kāi)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(jì)算得到Cm,Cmk均大于1.67，所以，該系

表2 開(kāi)度—溫度曲線測(cè)試能力分析

統(tǒng)對(duì)熱力膨脹閥開(kāi)度—溫度特性曲線測(cè)試能力滿(mǎn)足企業(yè)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，測(cè)量指標(biāo)達(dá)到技術(shù)要求，且具有便捷的人機(jī)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(kāi)度特性測(cè)試中應(yīng)用半年，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，提高熱力膨脹閥性能匹配實(shí)驗(yàn)的工作效率至少3倍以上，符合企業(yè)的生產(chǎn)檢測(cè)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(yàn)研究[J].制冷學(xué)報(bào)，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(cè)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(cè)試臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)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(shí)別在壓力開(kāi)關(guān)同步檢測(cè)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011,30(11):142-148.

[5] 朱正德.機(jī)械加工設(shè)備能力的評(píng)定指標(biāo)機(jī)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?yàn)樽詣?dòng)化檢測(cè)。