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基于集成传感器技术的液压系统检测仪
发布时间：2017-09-01
液压系统的原位检测是常用的故障监测方法。由于原位检测通常利用便携式检测仪器直接对液压系统进行测试,机件不需拆离机械,所以这种测试方法尤其适用于工程机械液压系统的视情维修。本文在运用目前比较成熟的微电子技术和先进的传感元件,研制出性能稳定可靠的液压系统测试仪,以实现工程装备在不拆卸液压系统整体的情况下的状态监测与故障诊断。
1 检测仪的总体构成
检测仪由测试系统与数据处理系统组成。测试系统包括涡轮流量传感器、SENSYM公司的硅应变式压力传感器、热电阻Pt100温度传感器以及安全阀、模拟加载的加载阀等。数据处理系统包括接口电路、微处理器、液晶显示、微型打印机、开关、蓄电池等。由传感器输出的流量、压力、温度信号通过前置信号处理后,通过A/D转换(流量传感器信号经前置放大后通过光电耦合器),经AT89C52微处理器处理后显示出来,也可通过打印机打印出来。
2 传感器设计及选择
为减少泄漏,增强仪器的整体性,我们将压力传感器、温度传感器安装在涡轮流量传感器的壳体上,组成三位一体传感器,以满足在同一点、同时高精度测出压力、流量、温度的要求。
2.1 涡轮流量传感器
涡轮流量传感器响应速度快,传感器精度5j,承受工作压力可达40MPa,流量范围12~350L/min,能满足工程装备液压系统测试要求。其工作原理如下:当被测流体流过传感器时,在流体作用下,叶轮受力而旋转,转速与管道平均流速成正比,叶轮转动后周期性地改变磁电转换器的磁阻值,检测线圈中的磁通随之发生周期性变化,产生周期性的感应电势,装在壳体外的非接触式磁电转速传感器输出脉冲信号的频率与涡轮的转速成正比,因此只要测定传感器的输出频率即可确定流体的流量。在检测系统中流量部分采用计数的办法来实现,算出频率,利用公式(1)求出流量。
式中: Q--流量,单位L/min;
f--频率,单位Hz;
a、b--流量计标定参数。
涡轮流量传感器对管道内流速分布畸变及旋转流量是敏感的,进入传感器应为充分发展管流,因此要根据上游阻流件类型的实际情况配备必要的直管段长度。
2.2 压力传感器
采用BP100硅压力传感器,压力范围0 ~40MPa,传感器精度012j,变送器综合精度1j,采用新型温度补偿电路,具有较宽的温度补偿范围-20~70e,对信号的响应速度高,解决了动态参数的测量问题,而且过载能力强。
流体压力通过不锈钢隔离膜片,密封硅油,传输到扩散硅膜片上,同时参考端的压力作用于膜片的另一侧。这样在膜片两边加上的差压产生一个应力,使膜片的一侧压缩,另一侧拉伸,两个应变电阻片位于压缩区内,另两个应变电阻片位于拉伸区内,在电气性能上,它们连接成一个全动态惠斯登电桥,以增大输出信号。该电桥采用恒流源供电,使得电桥的输出不受温度的影响。
2.3 温度传感器
采用铂热电阻温度传感器Pt100,稳定性好,传感器精度5j,测温范围0~150oC。
2.4 功率测试原理
泵组的功率测定由读出的流量与压力的乘积推算而得。
式中: N--功率,单位kW;
p--压力,单位MPa;
Q--流量,单位L/min。
检测仪按实测的工作压力和泵的流量,通过微处理器计算后,在显示屏上自动显示计算结果。
3 数据处理部分设计
本仪器是单片机应用系统,设计时把温度、压力信号处理由硬件电路通过数据锁存器、译码与驱动器来处理,系统运行速度快。流量信号的处理、温度和压力信号的选通以及功率的运算由AT89C52运算处理。
3.1 电路工作原理
流量传感器、压力传感器和温度传感器的信号经前置放大后,压力信号、温度信号经CD4051多路通道传输器送入双积分A/D转换器MC14433。MC1403是精密电源,作为MC14433基准电源。流量传感器信号经前置放大后,经光电耦合器TLP512送入AT89C52 P3口。压力、流量、温度信号经AT89C52P0、P3口进行读操作时由74LS138译码器选址后允许外部数据通过74LS244数据缓冲器读入CPU。经单片机处理后送显示屏直接显示流量、压力、温度、功率值,同时根据需要可以即时打印上述参数。温度、压力信号处理由双积分A/D转换器MC14433进行的,该电路使用具有高性能、低功耗312位A/D转换器,是一个外接元件少、自动调零和极性转换的双积分A/D转换器,转换速度为10次/s。模拟电路部分由基准电压、模拟电压输入部分组成。模拟电压输入量程为19919V,基准电压相应为200mV或2V。
数字电路部分由逻辑控制、BCD码及输出锁存器、多路开关、时钟以及极性判别、溢出检测等电路组成。MC14433采用了动态扫描BCD码输出方式,即千、百、十、个各位BCD码轮流地在Q0~Q3端输出。同时,在DS1~DS4端出现同步字位选通信号。由于MC14433输出结果是动态分时轮流输出BCD码,而且Q0~Q3和DS1~DS4都是非总线形式,因此必须通过并行I/O口或扩展I/O口与之相连,本系统MC14433的Q0~Q3 , DS1~DS4通过缓冲器接至AT89C52中的P0口。当MC14433上电后即对外部模拟电路输入电压信号进行A/D转换,每次转换完毕都有相应的BCD码及相应的选通信号出现在Q0~Q3和DS1~DS4上,当AT89C52中断,允许INT1中断申请,并置外部中断为边沿触发方式,每次A/D转换结束时,都将把A/D转换结果数据送入片内RAM中,以供CPU处理。
3.2 系统软件设计
本仪器是一种新型单片机应用系统,主要配置有采集电路、显示器、按键、打印机,相应的软件有采集、控制、数据处理、显示、打印等。软件部分主要包括监控程序和系统测控处理程序。
3.2.1 监控程序。监控程序完成系统操作前的准备工作。(1)初始化,将系统中所有的命令、状态以及有关的存储器单元置位成初始状态; (2)系统测试,利用测试程序检查程序存储器、数据存储器以及硬件功能是否正常; (3)提示符显示,当完成初始化和系统测试正常后,显示器上显示正常标记。
3.2.2 系统测控处理程序。(1)测控功能程序,系统直接完成测量流量、压力、温度,处理运算功率值,存储记忆; (2)外设功能程序,外部设备的控制程序、显示和打印等。
4 检测仪的应用
数字式液压系统检测仪主要用于液压系统和发动机)油泵组的状态监测和故障诊断,在使用中可通过管路接口附件串接或并联于液压系统中。通过调节加载阀,对油泵、溢流阀、控制阀、液压缸和液压马达等元件的技术状况进行原位检测,在一个检测点即可同时读出液压系统的温度、压力、流量和泵组功率。变换测试仪在液压系统中串联或并联的位置,能测试液压系统中动力元件(油泵)、控制元件(溢流阀、换向阀等)及执行元件(液压缸、液压马达)的性能与故障状态,从而迅速查找出故障的部位以及评判液压系统的状态性能。
本文以Tee测试(简称“T测试”)为例,论述检测仪的应用。所谓“T”测试,是指一种在尽可能接近液压系统实际工作条件下,进行系统测试的方法。
Tee测试步骤如下:
在油泵和控制阀之间安装一个/T0型接头(三通),接头其中一端连接到检测仪的进油口上,检测仪的出油口同油箱相连,如图3所示。“T”测试对于液压系统的状态监测十分有效,整个系统及其部件均可通过“T”测试来检查其性能,但要准确判定故障的部位,还需进行分段测试。以油马达测试为例,简述运用检测仪进行“T”测试的步骤:
(1)将控制阀置于某一操作工位,但在任一时刻只操作一个阀;
(2)逐步关闭检测仪加载阀,使油压从/00升至最大值pm(略低于溢流阀开启压力),并记录相应的流量值Qi;
(3)将各个控制阀遍置所有工位,重复步骤(2)。
如果压力pm和流量Qi的测量值均与油泵的测试结果相符,表明所有的液压元件状态良好;如果发现在某一控制阀的某一工位上,流量值Qi小于Qp,图3 测试回路表明系统出现泄漏,泄漏量(.jpg){kind=small}
Q=Q0-Qi)包括油泵、溢流阀、控制阀及执行元件(油缸、油马达)的内泄漏之和;如果各控制阀在所有工位上流量读数Qi均较小,即表明溢流阀出现故障。
5 结论
通过本文的研究与应用表明,数字式液压系统检测仪的测量范围大,能满足工程装备液压系统测试要求;测试参数比较全,能同时显示功率、流量、压力、温度等参数,且参数可打印;操作简单方便,易学易用,测试效率高;结构紧凑,体积小,携带方便,能在使用现场和各种修理场所使用。它的应用,将有力地提高我国液压系统的智能化监测水平。
摘自：中国计量测控网
