摘 要

燃气比例阀作为恒温式快速燃气热水器和燃气采暖热水炉的关键部件之一，对两用炉的工作噪声、燃烧效率、燃烧热负荷等参数都有着重要的影响。这就要求比例阀的各项参数及性能必须得到有效的保证。我们根据广州精鼎和杭州保登等比例阀生产厂家的需求，设计开发了一套比例阀性能检测系统，硬件系统主要采用西门子PLC为控制核心，软件系统采用基于Windows核心的虚拟仪器技术。使用情况表明，该系统为比例阀各项重要性能的检测、分析提供了保障，对产品性能和品质的控制起到了重要作用。

摘　要 燃气比例阀作为恒温式快速燃气热水器和燃气采暖热水炉的关键部件之一，对两用炉的工作噪声、燃烧效率、燃烧热负荷等参数都有着重要的影响。这就要求比例阀的各项参数及性能必须得到有效的保证。我们根据广州精鼎和杭州保登等比例阀生产厂家的需求，设计开发了一套比例阀性能检测系统，硬件系统主要采用西门子PLC为控制核心，软件系统采用基于Windows核心的虚拟仪器技术。使用情况表明，该系统为比例阀各项重要性能的检测、分析提供了保障，对产品性能和品质的控制起到了重要作用。

关键词 比例阀；检测；多功能程控电源；性能检测

 

1、引言

目前国内使用的燃气比例阀种类有：动永磁式燃气比例阀、动线圈式燃气比例阀、动铁芯式燃气比例阀等，不同种类的比例阀对电源类型的适应性也不相同[1]。为了适应不同类型的比例阀测试，我们专门设计了适应多种波形输出的程控电源。该测试系统可以对各种类型的比例阀进行稳压特性测试、比例特性测试。其中，稳压特性测试可以进行多个稳压点测试，每个稳压点可以采用定电流模式或者找电流模式；比例特性测试，可以在进行回差测试的同时检测二次压，为找电流测试的稳压特性测试做准备。双工位交替的工作方式以及灵活的配置参数，让该系统运行效率更高，能够更好地适应生产、品保、研发等不同岗位的多方面需求。

 

2、测试系统需求

通过和多个燃气比例阀生产厂家沟通，获取客户在实际生产、设计、研发过程中的需求，进行系统的整理、分析。系统将燃气比例阀性能测试划分成两个主要的部分：比例性能测试和稳压特性测试。

为了满足生产、品保、研发等不同需求的应用，我们将比例特性测试和稳压特性测试中的各参数进行细分。将两个测试大项，细分成可选测试的小项目，不同的应用场景下，用户可以根据自己的需要进行选择和设置。双工位交替执行、单工位循环执行，两种执行方式可选既可以满足生产节奏的需求，也可以满足品保、研发对数据分析的需要。

 

3、测试系统硬件设计

本系统的硬件组成主要包括，程控电源、传感器、执行器件、PLC智能控制单元以及工控机。

在各项试验中以工控机为核心，同时和PLC控制单元、程控电源进行数据交互；PLC采集端，采集各个传感器的数据并通过串行通讯将数据发送至工控机；PLC控制端，工控机发出控制命令，PLC通过协议解析控制信号，并对相应的执行器件实行有效的控制，实现相应功能；电源采集端，程控电源通过串行通讯将电源目前的测试值及状态实时反馈至工控机；电源控制端，工控机根据当前各传感器状态及测试需求向程控电源发送控制命令，电源通过协议解析控制信号，执行相应功能。

 

4、测试系统电源设计

4.1 电源设计概述

我们根据燃气热水器比例阀行业要求，参照日本相关厂家的技术参数，结合国内众燃气热水器厂家和电子比例阀厂家的实际情况，设计制造了这款专用于电子比例阀测量的电源系统。

主机为恒流式电流源，相对于普通恒流源有以下几个特点：

1）恒流精度高；

2）除了输出直流外还输出方波、正弦波叠加、全波等；

3）本机彩色触摸屏控制；

4）可以通过串口，连接工控机进行精准测试；

5）体积小，重量轻，现场检测。

本机分为主控部分、波形产生部分、恒流控制部分、通讯接口、人面界面和保护等几个部分。

4.2 主控部分

 

主控部分主要采用ST公司的STM32F103系列的芯片。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核，系统时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，相当于0.5mA/MHz。和8/16位设备相比，ARM Cortex-M3 32位RISC处理器提供了更高的代码效率。STM32F103xx微控制器带有一个嵌入式的ARM核，可以兼容所有的ARM工具和软件，是32位产品用户的最佳选择。

4.3 波形产生部分

采用高速16位AD，根据要求产生各种波形的基波，并经过运算放大器进行精密放大，以达到推动后级恒流源的要求。其与主控芯片之间采用FPGA芯片进行电平转换和连接，并采用高速磁隔离电路进行电气隔离，以保证设备安全和准确度。

4.4 恒流控制部分

本机采用PWM专用芯片TL494制作开关型恒流电源。TL494包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于桥式单端正激双管式，半、全桥式开关电源。TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，其振荡频率可以通过外部的一个电阻和一个电容进行调节。

输出电容的脉冲其实是通过电容上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。功率输出管Q1和Q2受控于或非门。当双稳触压器的时钟信号为低电平时才会被通过，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。

控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，再一路送往误差放大器的输入端。死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间，约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地的时候，其最大输出占空比为96%，而当输出端接参考电平的时候，占空比为48%。当把死区时间控制输入端接上固定的电压，即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。

脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：当反馈电压从0.5V变化到3.5V时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降为零。

两个误差放大器具有从vcc-0.3V到vcc-2.0V的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流中察觉的到。误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是由于这种电路结构，放大器只需要最小的输出即能够支配控制电路。

几个继电器是用于切换电流档位的，运算放大器是对电流反馈进行放大并和输入的基波信号进行差动，然后输入到TL494的反馈端，从而保证本机输出电流不随负载变化而变化。TL494产生PWM信号，通过驱动变压器，驱动MOS管对电流进行通断控制，从而达到控制电流的目的。

4.5 通讯接口

 

本机有时需外接工控机进行精准测量，所以本机留有RS485接口用于通讯。考虑到通讯可靠和操作员的安全，本机通讯接口采用了光电隔离。通讯模块电路布置如图2。

4.6 人机界面

本机采用五寸彩色触摸屏进行人机对话。该触摸屏基于ASIC的HMI平台架构，历经十余年工业应用考验，质量可靠；无操作系统，上电即运行，无系统冗余，运行速度始终如一；分辨率高，达到800ppi×480ppi；采用电阻式触摸，在恶劣的工业环境下也能稳定使用，不会产生错误动作。

4.7 系统保护

系统保护有过流保护，过载保护，过热保护等。

 

5、测试系统软件设计

5.1 平台概述

该测试系统软件设计是在Windows系统环境下开发的，使用了大量的Windows开放接口，并和虚拟仪器技术相结合，实现了丰富的功能，增强了用户体验。它以ANSIC为核心，将功能强大、使用灵活的C语言平台与用于数据采集、分析和测控专业工具有机结合起来。它的集成化开发平台、交互式编程方法、丰富的功能面板和库函数大大增加了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统、自动测量环境、数据采集系统、过程监视系统提供了一个理想的软件开发环境。

5.2 概要设计

本系统根据用户需求，按功能划分测试模块，按功能模块分段设计、实现相应功能。主要功能点包括比例特性测试功能、稳压特性测试功能、双工位交替功能、产品信息管理功能、设备校准功能。各功能细述如下：

1）系统背景通讯及数据交互功能：实现PLC、工控机、程控电源间数据实时交互，数据资源在工控机集合、计算、显示；

2）双工位交替功能：系统根据选择旋钮的档位，确定当前系统的工作模式，并在此模式的基础上进行相应的比例特性测试和稳压特性测试。模式分为：单独左工位、单独右工位、左右工位交替。

3）产品信息管理功能：将产品各项参数输入到参数设置界面中予以保存，可以通过新建产品库的形式，保存多组产品的数据。在以后的测试过程中直接进行产品名称选择即可调用设定好的参数。

4）设备校准功能：该功能用于对设备中的传感器进行校准和修正。

5）比例特性测试功能：用于测试燃气比例阀的比例特性，同时为稳压特性找电流模式做准备。

6）稳压特性测试功能：用于测试燃气比例阀的稳压性能。

5.3 详细设计

1）背景通讯及数据交互功能

通过开辟独立线程，在主进程外，实现固定时钟频率的数据刷新，同时建立工控机和PLC之间的通讯，从而获取PLC采集的各项参数，以及向PLC发送执行指令。建立工控机和程控电源之间的通讯，从而获取电源的实时状态和测试值，以及向程控电源发送指令，执行相应命令。

进程和单独子线程之间执行独立数据共享。

2）双工位交替功能

双工位功能主要用于不同应用场景的切换。在品保或研发部门使用时，基本以单工位循环执行为主，且以数据分析和曲线分析为主要目的。

因此在这种情况下，通常会通过工位旋钮锁定在左工位或右工位单独执行。在生产线上，用于批量检测时，更多的是讲究效率。因此将工位旋钮锁定在双工位运行档，当一个工位在检测时，另一个工位进行工件安装，能有效地缩短连续、批量检测的时间，大大提高检测效率。

在需要检测两种不同的阀时，可以两个工位同时放上不同比例阀需要使用的夹具，这样通过工位旋钮的选择，就可以直接选择要检测的类型、夹具等，也能提高日常使用中的效率。

3）产品管理功能

在架构上使用产品库管理方式。通过将所有参数分组保存，实现产品类型区分，当参数设置完成后，保存为当前的类型参数。当产品更换时，无需修改或重复输入参数，直接选择调用产品库中的数据即可。

4）设备校准功能

设备在使用了一段时间后，必然会出现传感器的反馈值和实际值之间的偏差。因此在设备中，尤其对于燃气比例阀这种对精度要求很高的器件检测，更需要保证反馈值的准确性。

因此开发了针对线性和偏移的校准功能，该功能能够对当前燃气比例阀检测设备上所有的传感器进行校准和修正，如图3所示。

 

5）比例特性测试

根据用户对比例特性检测的需求，我们设计了比例特性测试相关的功能。借参数来说明设计流程，如图4所示。

比例特性测试，在P1一次压稳定条件下，电流根据调节周期、调节步长参数先上升再下降，再上升。

在首次上升下降之间，于Imin+(Imax-Imin)×C处，取得产品的磁滞参数，与设定值比对判定是否合格。小于设定磁滞H值则合格，大于磁滞回差则不合格。

在二次上升时，电流上升至点火电流Q11处，同时测出此时点火回差二次压的值，并与设定值做比对判定是否合格。小于设定值合格，反之不合格。

电源波形选择：包括纯直流、直流叠加交流、全波整流、直流脉冲。以此发送给程控电源信号，输出不同的波形。

不合格后是否继续测试：因为不同用户的需求不同，有些用户要求检测不合格后，直接结束测试，而部分客户需要在检测不合格后继续测试剩下的项目而不结束测试，因此在这里设计一个选择项，供不同用户选择。选择“是”，则在检测到不合格后，会继续检测剩下的检测项目；选择“否”，则在检测到不合格后，报警并结束测试。

6）稳压特性测试

稳压特性测试主要目的是测试燃气比例阀在固定电流条件下，外界供气压力变化（P1一次压变化）对性能的影响（测试比例阀是否能稳住二次压力P2）。

 

由于不同用户对于测试稳压点的数量要求不同、给定电流值的方式不同、P1升压后降压起点不同等，考虑到适应多类型用户的需求，将这些可能发生变化的因素都设计成为参数供用户配置。

是否定电流：如果选择定电流测试，则使用事先设定好的参数进行稳压特性测试；如果选择否，则在进行稳压特性测试时，电源输出的电流采用在比例特性测试时（当P2处于设定下限和上限之间时）采集到的电流值作为稳压特性测试的电流值。

以1#曲线为例，如果选择定电流，则稳压特性测试时使用的电流值就是1#曲线电流这个参数；当选择否时，则在比例特性测试时，当P2处于1#P2压强下限和1#P2压强上限，记录下该点电流值，作为稳压特性测试时使用的电流值。

P1回程值：当稳压特性测试完成P1升压段后，从该点开始进入降压段。

该系统设计可以最多一次性测试4个稳压点，也可以按需选择。以1#曲线为例，如果勾选1#稳压特性曲线则执行该参数设置的流程，反之直接跳过，不测试该稳压点。

 

6、结语

燃气比例阀作为燃气壁挂炉和恒温式热水器的重要配件，其质量对于整机产品的质量至关重要。为了能够满足行业内不同用户的多样性需求，该系统从设计到完成经历了多次反复的更改、验证，最终推出了一款能够适应行业内大多数用户需求的产品，同时可以兼顾不同用户、不同部门的需求，实现了测试台应用多样化的可能。

系统需求分析、设计研发、实验验证等都是系统开发实践过程中不可或缺的部分。我们会在此基础上，继续努力，多与行业内的专家、客户沟通，升级打造我们的产品，使其能以更好的性能、更高的稳定性、更强的实用性呈现给我们的每一位用户。

 

参考文献

[1] 庞智勇, 姚占朋, 朱宁东. 驱动电源类型对动铁芯式燃气比例阀调节特性的影响[J].家用燃气具,2012(2):39-43.