閥門定位器綜合測試儀
上海申弘閥門有限公司
上海申弘閥門有限公司生產(chǎn)的智能閥門定位器屬于噴嘴擋板式閥門定位器。圖1.1為閥門定位器原理框圖。其基本工作原理是：改變線圈驅(qū)動電流I，在電磁力的作用下?lián)醢瀹a(chǎn)生位移ΔX，從而使背壓室氣壓PD改變；背壓室氣壓PD經(jīng)過氣動放大器的功率放大后得到控制氣壓Pc，使（閥門）執(zhí)行器產(chǎn)生位移L；執(zhí)行器的位移L通過位移傳感器輸出檢測電壓U送至主電路板；主電路板根據(jù)代表位移的電壓U、用戶提供的4-20mA控制信號電流，通過一定的控制算法計(jì)算后，給出線圈驅(qū)動電流I，從而完成了整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制。圖1.1智能閥門定位器整機(jī)原理框圖從原理可見，其中背壓室氣壓PD、氣動放大器輸出的控制氣壓PC和執(zhí)行器位移等參數(shù)的精度以及各參數(shù)之間的函數(shù)曲線關(guān)系決定了整個(gè)產(chǎn)品的性能優(yōu)劣。在檢測調(diào)試過程中，關(guān)系到整機(jī)中重要的技術(shù)指標(biāo)I-PD、PD-PC和I（4~20mA）-L等幾組參數(shù)均由手工進(jìn)行測量，工作量大，不適合大批量生產(chǎn)，為此我們開展了閥門定位器測量儀的研制工作。
背壓室氣動放大器IP轉(zhuǎn)換器電路板位移傳感器擋板位移ΔX背壓PD控制氣壓執(zhí)行器（閥門）Pc線圈驅(qū)動電流I位移電壓UL位移行程Ps氣源4-20mA信號電流
2主要功能及技術(shù)指標(biāo)本儀器主要完成2大功能，即背壓室氣壓PD、氣動放大器輸出的控制氣壓PC的檢測，以及整機(jī)性能（執(zhí)行器位移）的檢測。
2.1PD、PC氣壓檢測與記錄
(a)向閥門定位器線圈輸入0~0.6mA電流（電流源可由本儀器所提供也可外接），檢測背壓室氣壓PD、氣動放大器輸出的控制氣壓PC，并通過320×240LCD液晶屏顯示檢測結(jié)果。
(b)將記錄的PD、PC氣壓數(shù)據(jù)發(fā)送到PC計(jì)算機(jī)，并以excel文件形式儲存。
2.2整機(jī)性能（執(zhí)行器位移）的檢測
(a)對位移傳感器進(jìn)行整定，得出傳感器位移與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系。
(b)向閥門定位器線圈輸入4~20mA電流（電流源可由本儀器所提供也可外接），檢測連接在執(zhí)行器上的位移傳感器的位移量。
(c)根據(jù)整定得到的傳感器位移與輸出電壓的函數(shù)關(guān)系，計(jì)算出執(zhí)行器位移的誤差率。
2.3主要技術(shù)指標(biāo)工作溫度：0~60℃工作電壓：220V電流源精度：±0.1%氣壓檢測精度：±0.4%行程檢測精度：±0.5%
3總體設(shè)計(jì)及器件選型本儀器整體原理如圖2.1所示。整個(gè)系統(tǒng)采用MSP430F169單片機(jī)控制，帶小鍵盤操作和320×240LCD顯示，并可與PC機(jī)進(jìn)行通訊以處理檢測數(shù)據(jù)。320X240LCD鍵盤電流源Ⅰ精調(diào)電流源Ⅱ精調(diào)開關(guān)電流源Ⅰ0~1mA電流源Ⅱ0~20mA圖3.2控制面板示意圖
(a)顯示器采用深圳三元晶液晶顯示有限公司的SYM320240B8LCD液晶屏，點(diǎn)陣數(shù)為320×240，控制芯片為RA8835。
(b)鍵盤如圖3.3所示：
←→↑
↓1234567890取消確定圖3.3鍵盤鍵盤由10個(gè)數(shù)字鍵、“←”、“→”、“↑”、“↓”4個(gè)方向鍵、以及“取消”和“確定”共16個(gè)鍵組成。鍵盤采用矩陣掃描電路，控制器采用周立功公司設(shè)計(jì)的數(shù)碼管顯示驅(qū)動及鍵盤掃描管理芯片ZLG7290B。ZLG7290B供電電壓為3.3~5V，能夠管理多達(dá)64只按鍵，可以自動消除抖動，與微控制器之間采用I2C總線接口，只需兩根信號線，大大節(jié)省了I/O資源。
(c)電流源Ⅰ、Ⅱ分別為儀器所提供的0~1mA和0~20mA電流的輸出端，并具有精調(diào)旋鈕。
3.2背面板背面板如圖3.4所示：
3.3電源
電源采用航天長峰的經(jīng)濟(jì)型輕系列電源4NIC-50，交流220V電壓輸入，帶15V3A和5V1A兩個(gè)輸出。
3.4氣壓傳感器氣壓傳感器將PD、PC氣壓轉(zhuǎn)換為電壓信號送給主電路進(jìn)行處理。本儀器所采用的氣壓傳感器為南京宏沐科技有限公司生產(chǎn)的“HM22高精度壓力變送器”，此變送器選用德國進(jìn)口高精度力敏芯片為中心感測元件，運(yùn)用溫度自補(bǔ)償及歸一化電路調(diào)試等，大幅度提高了產(chǎn)品的綜合精度。此款變送器主要性能參數(shù)為：測量范圍：0~1MPa壓力類型：表壓綜合精度：±0.1%工作溫度：-20~85℃工作電壓：DC12~35V輸出信號：DC0~5V3.5位移傳感器位移傳感器將執(zhí)行器位移量轉(zhuǎn)換為電壓信號送給主電路進(jìn)行處理。位移傳感器采用上海德測科技有限公司生產(chǎn)的小量程位移傳感器，此傳感器采用的精密位移傳感器和長壽命導(dǎo)電塑料材質(zhì)制造，具有*的準(zhǔn)確度。其主要性能參數(shù)如下：有效測量行程：50mm獨(dú)立線性度：0.1%工作溫度：0~80℃工作電壓：
DC12~24V輸出信號：
0~5V3.6主電路板主電路板是儀器的核心部分，它將傳感器送來的電壓信號進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后送給CPU處理，然后再控制其他部件做出各種響應(yīng)，以完成設(shè)定的工作。主電路又可以分為CPU、電流源、AD轉(zhuǎn)換、與PC機(jī)的RS232通信等幾個(gè)部分。
4主電路的設(shè)計(jì)及器件選型
4.1CPU本儀器采用單片機(jī)控制，CPU選擇TI公司的MSP430F169。MSP430系列單片機(jī)是一種功能非常強(qiáng)大的16位單片機(jī)，目前在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，MSP430的主要特點(diǎn)為：
（1）超低功耗MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用1.8~3.6V低電壓，并擁有5種低功耗模式。
?。?）高速的運(yùn)算能力16位RISC架構(gòu)，125ns指令周期。
（3）豐富的功能模塊包括多通道10~14位AD轉(zhuǎn)換器、雙路12位DA轉(zhuǎn)換器、看門狗定時(shí)器、串行通訊USART（UART/SPI）、I2C總線、DMA、Flash存儲器等等。
?。?）方便的開發(fā)環(huán)境芯片內(nèi)包括JTAG調(diào)試接口，因此在仿真調(diào)試程序時(shí)通過一個(gè)廉價(jià)的JTAG接口轉(zhuǎn)換器就可以完成以往要用昂貴的仿真器才能完成的功能。本儀器采用的MSP430F169片內(nèi)具有60KBFlash存儲器、2KBRAM、48個(gè)I/O口等，*可以滿足系統(tǒng)需求。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。應(yīng)用在糧油加工系統(tǒng)中。用于涂料行業(yè)的生產(chǎn)管線生產(chǎn)，及加工。
4.2電流源本儀器內(nèi)含2個(gè)電流源，一個(gè)用于產(chǎn)生0~1mA恒定電流供PD、PC氣壓測量時(shí)使用，另一個(gè)提供0~20mA恒定電流供整機(jī)性能檢測時(shí)使用，2個(gè)電流工作原理一樣，現(xiàn)以0~1mA電流源為例簡要說明其工作原理。
U1U25V15VR1T1T2R2R3R4R5470432k1kILIERL圖3.5電流源原理圖如圖所示，運(yùn)放為TLV2254，具有很高的輸入阻抗，T1、T2為9013三極管，組成達(dá)林頓管。令R0=R2+R3||R4+R5，U1是MSP430F169的DA模塊輸出電壓，根據(jù)虛短原理，U1=U2，所以IE=U1/R0，又因?yàn)?013的β值在150以上，所以9013組成的達(dá)林頓管的的電流放大倍數(shù)β2很大，因此可近似認(rèn)為IL=IE=U1/R0?？梢哉J(rèn)為電流IL只隨電壓U1被控制，而與負(fù)載RL無關(guān)，既實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制恒流源。R0的值在2.473~2.512之間變化，因此當(dāng)令U1在0~2.5V之間變化時(shí)，就可得到0~1mA的電流輸出，電位器R4起到電流精密調(diào)節(jié)的作用。
4.3AD轉(zhuǎn)換氣壓傳感器和位移傳感器將氣壓和位移量轉(zhuǎn)化為電壓信號后再經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后送給CPU進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。本儀器所采用的AD芯片為ADI公司16位/24位高精度AD轉(zhuǎn)換器AD7734，外接電壓基準(zhǔn)為ADI公司的2.5V高精度電壓參考源AD780。
4.4與PC機(jī)的RS232通信為方便測量所得得各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)的保存及進(jìn)一步分析處理，需將必要的參數(shù)
轉(zhuǎn)移到PC機(jī)上以Excel文檔形式保存。單片機(jī)與PC機(jī)通信一般采用RS232標(biāo)準(zhǔn)串行通信來實(shí)現(xiàn)，但由于單片機(jī)的電平與PC機(jī)串口的電平比一致，因此需要進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)采用SP3220E芯片來實(shí)現(xiàn)接口轉(zhuǎn)換，如圖3.6所示。
TXTXRXTXMSP430F169SP3220EPC圖3.6RS232通信接口轉(zhuǎn)換SP3220E是一款低功耗的RS232驅(qū)動芯片，該芯片具有以下特性：(a)寬電壓供電，供電電壓為：3.3~5V。(b)上傳速率可達(dá)235Kbps。(c)低功耗電流，僅為1uA。(d)輸入電壓TxIN：-0.3~6V；RxIN：±15V。(e)輸出電壓TxOUT：±15V；RxOUT：-0.3~6V。與本文相關(guān)的論文有：油炸方便面生產(chǎn)工藝
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