二位三通气体充排一体电磁阀性能测试系统

二位三通气体充排一体电磁阀性能测试系统

黄冠荣

佛山市利强医疗设备有限公司

摘要：在气体恒压系统下，通过实时记录阀门充气位置的压力曲线，实现阀门的气密性、响应特性的检测。解决了充排一体阀无法直观阀门启闭状态和微量泄露的难题，适用于来料检验和新阀开发测试。

关键词：电磁阀，压力曲线，变频，RS485

前言

在公司生产的医疗设备里面有一种二位三通充排一体电磁阀，由一个充气电磁阀，一个排气电磁阀和一个三通腔体组成的。气路结构如图1所示。充气线圈通电一下，充气阀门打开后马上关闭，一小部分压缩空气进入气囊。排气线圈此时处于通电状态，排气口关闭，压缩空气保持在气囊里，直到排气线圈断电，排气口打开，气囊里的压缩空气经过排气口排出。该阀的整体结构非常紧凑，很难看到阀芯的动作位置。静态检测气密性非常繁琐，效率低下。针对这些问题，设计了一种测试系统，通过连续检测气囊的压力曲线，结合控制电磁阀的电信号，就可以计算和分析出阀门的响应特性和气密性。系统通过计算机显示曲线结果，操作简单，一目了然，改善了检测工作的劳动强度，提高了产品的质量。

图1

1.系统方案的设计

系统主要气压供应系统，采集和控制系统，计算机显示和测量系统三部分组成。

1.1气压供应系统

系统示意图如图2。系统主要由变频器，气泵，储气罐，压力表，排气球阀组成。.单相220V电源给变频器供电，变频器输出三相电压电流驱动气泵。压缩空气进入储气罐，气罐上有三个出气口，可同时测试三个一体阀。气罐还有压力取样口，把压力反馈到控制器，使气罐里的压缩空气处于设定的压力范围内。

因为一体阀的工作压力为50KPa以下，选用了BeckerDT4.2无油旋片泵作为压缩空气源。该泵在50KPa下，流量为35m3/h。

为了实现恒压控制，气泵电机速度必须连续可调，所以使用了三菱变器FR-E740作为泵的驱动。控制系统通过RS-485与变频器通讯，实现各种指令以及参数的读出/写入的功能。主要控制参数有启动、停止、运行、频率。控制系统通过气罐的压力采样口，实现压力反馈，及时输出适当的运转频率指令，保证压力恒定。

气罐还设有排气球阀。因为有时测试过程中，比如只有一个阀门，阀门开闭的动作频率比较低，气体流量自然比较小，压力损耗比较小，电机运转频率比较低，处于脉动状态，影响电机散热。同时泵体慢转，噪音非常大。因此适当调节排气球阀，人为保持一定的排气量，令变频器输出频率在20Hz以上。这样系统运转就比较平顺。

图2

1.2采集和控制系统

采集和控制系统，选用意法半导体MCU作为主控，型号为STM32F103RET6。该MCU包含16路12位ADC，至少3路全双工串口UART。选择4路ADC分别对气罐和3个气囊的压力进行采集。2路串口分别连接上位计算机和经过RS-485转换电路连接变频器。另外引出6路I/O口，每2路控制一个一体阀（充气和排气两个线圈）。控制时序是充气线圈一次通电100ms，间隔50ms。三个充气线圈通电期间，排气线圈保持通电，直到所有充电线圈断电并再延时150ms才断电。

图3

气体压力变送器模块选用芜湖芯感智传感器技术有限公司XGZP6847型。该模块测量范围100KPa。供电5V。输出0.5-4.5V。最高压力不超50KPa，所以实际输出电压为0.5-2.5V。MCUADC部分参考电压为3.3V，完全包含了信号范围。毕竟输出有可能4.5V，所以在缓冲电路前加入3.3V钳位电路。该模块特性如下：

精度±1%Span

零点温度漂移±0.03%FS/℃

满程温度漂移±0.03%FS/℃

长期稳定性(1年)±1%Span

UARTtoRS485选用了MAX3490。跟MCU和变频器的连接方式，参考图4。

图4

变频器通讯的参数设置如下表。

具体变频器控制指令可以参考变频器手册。这里不作具体描述。

1.3计算机显示和测量系统在具有RS232串口的计算机编写VC程序。

主要要求是：

界面必须实时显示曲线；

可以设定气罐压力；

通过鼠标点击曲线位置自动计算时间；

通过定时截屏自动保存数据，以方便历史数据回顾。

2.压力曲线的分析

从1.2点提到，一体阀的工作时序可以知道，采集三个气囊压力曲线正常的话，将是如图5那样出现3组曲线。序贯时间Δt就是50ms。

图5

针对单个一体阀的曲线，定义了几个参数。如图6。

图6

T1：通电起始时间。

tu-r：充气线圈从T1通电到充气阀门刚打开（曲线转折点）这段时间，定义为充气响应时间。

tu：充气曲线从峰值压力10%上升到90%需要的时间，定义为充气上升时间。

T2：排气线圈断电起始时间。

td-r：排气线圈从T2断电到排气阀门刚开始打开（曲线转折点）这段时间，定义为排气响应时间。

td：排气曲线从峰值压力90%下降到10%需要的时间，定义为排气下降时间。

Prem：气囊剩余压力。主要用于检测充气阀门打开前，是否有压力进入气囊（关闭不严）。

只要在计算机上，按上面的定义可以测量出各个参数的数值与要求值比对，从而可以判段一体阀是否良好。

上面参数值都是越小就越好。如果超过规定值，说明线圈功率过小，或阀门活动件有阻力，或密封件不良等等。通过具体参数，结构阀门结构的熟悉，基本上可以定位阀内部零件故障的位置。

结束语

本文设计的二位三通充排一体电磁阀，通过测量气囊的压力曲线，非常直观反应出阀门的工作状态。同时具有自动恒压功能，每次更改测试压力均可以自动恒定在设定值，准确快速，简单易用。自从投入使用以来，在质量检查中，大大提高了效率。一体阀在设备装机后的老化合格率从75%提高到95%，显著提升了产品的合格率，提高了经济效益。

参考文献

[1]三菱通用变频器FR-E700使用手册（应用篇）.

[2]意法半导体（STMicroelectronics）STM32F103xCDE参考数据手册.

[3]芜湖芯感智传感器技术有限公司(CFSensor)XGZP6847型气体压力变送器模块规格书.