比例調節閥是空氣壓縮機上一個重要器件。通過比例調節閥的正常工作, 使得空氣壓縮機可以根據用戶現場用氣狀況, 自動的調節空氣壓縮機空氣入口的開度, 從而一定程度調節氣量。

      針對公司某型壓縮機新使用的比例調節閥運行過程中, 在高壓調節階段 (25bar以上) 出現不穩定, 極端情況下引起油罐壓力串升, 從而造成油罐安全閥起爆的現象出現。為了分析故障原因, 掌握比例閥調節過程, 設計了一個虛擬儀器測試系統采集相關參數。

      儀器是人們用來檢出、測量、觀察、計算各物理量、物質成分、物性參數等器具或為某一特定用途所準備的裝置或設備。從功能上說, 是由信號的采集與控制、信號的分析與處理、結果的表達與輸出三大功能模塊組成。

      空氣壓縮機的性能和工作參數包括溫度, 壓力, 流量, 轉速, 振動等。通過機組的測試和這些參數的采集分析, 可以對空氣壓縮機組的整體或者部分器件的工作狀態進行評估, 以了解和評價它們的工作是否符合設計要求。

     傳統的測試方法就是使用各分離的儀器對這些參數進行獨立測量, 再由人工從各自獨立的儀表上讀出被測參數, 然后進行一系列的運算或比較, 得到一個總的性能概況, 支持分析。這種傳統方法不但工況調整慢, 穩定性差, 更重要的是不能做到同步的實時性。如果需要測量監視的數據參數稍微多些, 就極大降低效率以及不能及時發現問題所在。

      虛擬儀器就是用戶在通用計算機平臺上, 充分利用現有計算機硬件提供公有的功能部件與計算機軟件技術有效結合起來, 根據自己的需求定義和設計儀器的測試功能, 實現并擴展傳統儀器的功能。而虛擬儀器測試系統就是利用傳感器接受被測信號, 經過信號調理和模數轉換, 由數據采集器將離散化后的輸入計算機, 由計算機對數據進行分析計算并對結果進行顯示等一系列過程。利用虛擬儀器測試系統代替并完善傳統測試儀器功能, 實際上是除了信號的輸入輸出外, 傳統儀器其它的功能例如操作、測量、控制、計算、分析、顯示等均由計算機軟件來實現, 從而使得測試系統能夠高效運行。其結構框圖如圖1所示。

      為了實現測試的靈活可操作可擴展性, 針對我們的測試要求, 我們選擇德威的DAQ DEWE43進行設計。

      DEWE43是德威公司的一款小巧但功能強大的移動數據采集測試儀。它集成8個動態模擬量輸入通道, 8個計數器/數字量輸入通道, 2個CAN輸入通道。模擬量輸入通道AD分辨率為24位, 每個通道均有獨立同步AD。其信號的輸入可以成為“通用”信號, 直接測量應變和±10V的電壓。另外通過轉接DSI適配器則可以接入更多不同的輸入信號類型, 例如IEPE傳感器加速度計輸入, 200V電壓輸入, 電流輸入, 熱電偶熱電阻輸入等等。經過擴展, 能滿足工業中大部分測量類型的接入。

      系統硬件基本結構由德威DEWE43本體、數據采集接口電路、信號調理電路、通訊接口、傳感器等組成, 其數據采集接口電路和信號調理電路集成在輸入通道里, 形成標準電壓信號。

       我們監測比例調節閥工作時涉及的幾個參數, 分別是調節壓力, 油罐壓力, 發動機轉速 (移動式柴油驅動空氣壓縮機) 。調節壓力傳感器測量范圍0-10bar, 油罐壓力傳感器測量范圍0-40bar, 均為電流型, 提供4-20mA輸出。

      為此, 使用了DEWE43本體的兩個模擬量輸入通道。由于該兩通道直接測量的輸入信號為±10V、±1V、±0.1V、±0.01V, 需要外接轉換接頭DSI-20mA, 將壓力傳感器輸出的4-20mA電流信號轉換成電壓信號, 提供給DEWE43。發動機轉速通過CAN接口電纜連接發動機ECU。

      軟件系統是虛擬儀器的核心。虛擬儀器通過軟件把計算機強大的處理能力和儀器硬件的測量能力接合在一起, 并實現數據存儲、顯示和分析處理。在硬件平臺搭建好后, 根據測量原理、實際的需求, 采用適當的信號分析和處理技術, 編制實現測量功能軟件, 就可以構成該功能的測試儀器。

       此系統就是利用與DEWE43配套使用的應用軟件DEWESoft進行組態。分別設置三個數字表, 實時顯示調節壓力, 油罐壓力和轉速;同時設置一個示波器, 在此示波器中也對應顯示此三參數實時數據波形曲線以便監測同一時刻各參數的運行狀態。對于發動機速度, 由于使用CAN通訊讀取, 在軟件中利用CAN模塊, 設置相應的報文和地址等通訊參數, 可以讀取出速度數據并顯示在數字表和示波器中。

      測試開始后, 每關閉比例調節閥旋鈕一定圈數 (比如一圈或兩圈, 圈數固定) , DEWE43記錄測試的調節壓力, 油罐壓力和發動機轉速, 持續時間20至30s;然后再接著關閉比例閥, 提高比例閥動作時設定的壓力, 從而使得油罐壓力一定程度提高;持續的進行操作和記錄。

      就我們的測試發現, 對新比例調節閥, 每調節一次, 油罐壓力相應的增加1到1.2bar。詳見圖3。圖3中的監視數據中, 曲線1為油罐壓力;曲線3為調節壓力, 0.7bar左右;曲線2為發動機轉速。曲線1中的油罐壓力, 每關閉比例調節閥一次, 持續記錄一次, 此時油罐壓力提高。所以曲線1呈現臺階形狀。

       在測試監視數據區最右側區域, 最后一組臺階數據最末段顯示曲線2油罐壓力27.042bar, 曲線3調節為0.274bar, 見圖4測試監視區最右側區域。測試監視系統檢測到往后數據, 曲線1油罐壓力從27.0bar迅速上升到38.4bar, 見圖5。

      在要求比例閥廠家重新設計制造比例調節閥內彈簧后, 我們進行新一輪測試。測試的操作仍然與原先一樣。最初階段仍然呈臺階狀, 隨著每一次調節, 油罐壓力逐步提高, 到監視屏幕最右側, 此時油罐壓力為30bar, 見圖6中曲線1。

      德威數據采集器DEWE43在此次故障處理分析中, 能夠簡易快速構建虛擬儀器測試系統, 對相關參數進行在線監測, 為故障判斷提供可靠數據, 有效幫助我們進行故障分析, 高效推進項目的進行。事實上針對設備不同場景的測試要求, 通過快速重構虛擬儀器, 擴展了儀器的應用場合。與傳統測試儀器相比, 無論是智能化程度、數據處理能力、性價比還是靈活性、可操作性方面均有大幅提高, 虛擬儀器具有傳統儀器無法比擬的優點。隨著計算機技術、網絡通訊技術的進步以及應用的不斷拓展, 虛擬儀器技術也向更智能化、網絡化發展, 適應性越來越強, 功能越來越強大。