王巍，魏靜宸，王敏

(1.天津工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，天津 300387；2.大功率半導(dǎo)體照明應(yīng)用系統(tǒng)教育部工程研究中心，天津 300387;3.天津工業(yè)大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300387；4.天津工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387)

0 前言

傳統(tǒng)的石蠟節(jié)溫器有響應(yīng)速度慢、開啟溫度固定等缺點(diǎn)，不能對(duì)冷卻液溫度進(jìn)行精確控制。隨著節(jié)能減排要求的增加和電控技術(shù)的普及，國(guó)內(nèi)越來越多的主機(jī)廠開始廣泛應(yīng)用電子節(jié)溫器。電子節(jié)溫器如果在使用過程中發(fā)生泄漏，會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過熱，輕則損害發(fā)動(dòng)機(jī)，重則造成安全問題。因此，電子節(jié)溫器的泄漏檢測(cè)是產(chǎn)品是否合格的重要指標(biāo)。

現(xiàn)有的泄漏檢測(cè)方法大都以水作為介質(zhì)通過流量測(cè)試實(shí)現(xiàn)，主要方法包括氣泡法和涂抹法。這兩種檢測(cè)方法存在測(cè)量精度低、受主觀因素影響大、檢測(cè)周期長(zhǎng)、效率低、安全性差等缺點(diǎn)。由于空氣和液體都是流體介質(zhì)，具有非常相似的特點(diǎn)，空氣與液體相比又具有黏度小、可壓縮性好等特點(diǎn)，因此，使用空氣代替水作為測(cè)試介質(zhì)是可行的。本文作者采用氣體流量檢測(cè)和氣體壓力檢測(cè)技術(shù)，既保證了測(cè)試過程的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)提高了測(cè)試效率。

設(shè)計(jì)一套基于嵌入式技術(shù)的電子節(jié)溫器綜合檢測(cè)系統(tǒng)，可以完成電子節(jié)溫器內(nèi)泄漏測(cè)試、外泄漏測(cè)試和流量測(cè)試。同時(shí)，系統(tǒng)能夠檢測(cè)節(jié)溫器電機(jī)工作電壓、電流、溫度，并完成電機(jī)位置與角度傳感器標(biāo)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該檢測(cè)系統(tǒng)能夠高效率完成電子節(jié)溫器標(biāo)定和檢驗(yàn)工作。隨著電子技術(shù)和氣動(dòng)技術(shù)的不斷發(fā)展，氣密檢測(cè)方法也將得到改善，高度自動(dòng)化氣密檢測(cè)系統(tǒng)必將成為一種發(fā)展趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1 主要測(cè)試項(xiàng)目及功能

電子節(jié)溫器綜合檢測(cè)系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 電子節(jié)溫器綜合檢測(cè)系統(tǒng)功能

檢測(cè)系統(tǒng)主要由臺(tái)架裝置、控制裝置、測(cè)試裝置、數(shù)據(jù)采集裝置及綜合處理裝置等組成。采集數(shù)據(jù)包括電流()、溫度()、球閥角度()、流量()，通過數(shù)據(jù)進(jìn)一步完成電機(jī)電流標(biāo)定、球閥角度標(biāo)定、球閥任意角度定位、溫度測(cè)量等功能，最終完成主要測(cè)試項(xiàng)目，包括電子節(jié)溫器電機(jī)電流檢測(cè)、外泄漏檢測(cè)、內(nèi)泄漏檢測(cè)，同時(shí)能夠繪制電機(jī)標(biāo)定曲線、電機(jī)電流曲線、-(流量開度)曲線。通過擬合流量開度曲線以及對(duì)比最大誤差，最終判斷電子節(jié)溫器合格與否。

1.2 系統(tǒng)主要性能參數(shù)

電子節(jié)溫器綜合檢測(cè)系統(tǒng)示意如圖2所示，氣體流速測(cè)試范圍0.08～120 m/s，被測(cè)介質(zhì)溫度范圍-10～350 ℃，工作環(huán)境溫度范圍-20～45 ℃，工作壓力范圍0～4 MPa。被測(cè)介質(zhì)采用壓縮空氣。電子節(jié)溫器最大采集電流15 A，被測(cè)電子節(jié)溫器球閥開度范圍0～260°，外泄漏量小于7 Pa/s，內(nèi)泄漏速率小于8 000 mL/min。閥門安裝符合GB/T 22137.1—2008。

圖2 電子節(jié)溫器綜合檢測(cè)系統(tǒng)示意

2 硬件

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)3D建模而成，該系統(tǒng)總尺寸為1 500 mm×1 000 mm×900 mm。主體框架均采用歐標(biāo)8040鋁合金型材制作。系統(tǒng)包括主體部分和平臺(tái)部分：主體內(nèi)部裝有執(zhí)行器、傳感器和測(cè)控裝置，作為系統(tǒng)的控制部分；平臺(tái)部分用于安裝固定樣件，作為系統(tǒng)的操作部分；使用含有嵌入式PCB的測(cè)控裝置作為控制器；使用壓力型氣密儀對(duì)樣件進(jìn)行外泄漏檢測(cè)，使用流量型氣密儀進(jìn)行內(nèi)泄漏檢測(cè)；使用恒流鼓風(fēng)機(jī)作為恒流氣源；使用DN15熱式流量計(jì)采集氣體流量并輸出4～20 mA電流信號(hào)代表流量值；使用PTC-04、編碼器等完成標(biāo)定功能。平臺(tái)部分設(shè)有固定支架、操作板以及急停按鈕等，用于固定電子節(jié)溫器，完成相應(yīng)測(cè)試、拆卸安裝、急停等操作。相較于傳統(tǒng)方法與結(jié)構(gòu)，此系統(tǒng)至多滿足3個(gè)電子節(jié)溫器并行檢測(cè)，極大程度提高了效率。安裝器件均符合WJ 2227—1994要求。

2.2 電氣設(shè)計(jì)

主體部分分為3層：主體部分上層設(shè)有電源箱，其中包括12 V程控電源、24 V開關(guān)電源、空氣開關(guān)、電磁繼電器、測(cè)控裝置等設(shè)備，電源箱具有防塵、防震動(dòng)功能，可輸出220 V交流電、12 V和24 V直流電，對(duì)系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器供電。主體部分中層設(shè)有氣動(dòng)電磁閥、熱式流量計(jì)，接收24 V直流電；主體部分底層設(shè)有恒流鼓風(fēng)機(jī)、壓力型氣密儀與流量型氣密儀等，用于接收220 V交流電。該系統(tǒng)具有過流保護(hù)、過壓保護(hù)和緊急停止等安全功能。

2.3 測(cè)控裝置設(shè)計(jì)

測(cè)控裝置PCB結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，核心處理器選用ST公司生產(chǎn)的一款Cortex-M4內(nèi)核的32位微處理器STM32F405RGT6。該處理器具有豐富的外設(shè)資源，包括定時(shí)器、串口、SPI、IIC、CAN控制器等，能夠滿足此實(shí)驗(yàn)的需求。電子節(jié)溫器的驅(qū)動(dòng)單元為直流電機(jī)，通過H橋驅(qū)動(dòng)芯片TLE8209-2SA驅(qū)動(dòng)電子節(jié)溫器，通過IO口和PWM調(diào)節(jié)電子節(jié)溫器球閥轉(zhuǎn)動(dòng)的角度和速度，通過SENT接口讀取電子節(jié)溫器的實(shí)時(shí)角度，通過PID進(jìn)行角度閉環(huán)控制；通過INA250A2和AD7923芯片進(jìn)行電子節(jié)溫器電流、電壓的采集；通過AD7793和ADT7320構(gòu)建K型熱電偶采集電路。通過SP3485芯片提供RS485接口，與兩種氣密儀通信接收泄漏量，通過TJA1050芯片構(gòu)成CAN收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)CAN通信；通過串口與上位機(jī)通信，用于下發(fā)電子節(jié)溫器閥門角度控制信號(hào)和上傳溫度、電流等傳感器采集的信息和數(shù)據(jù)、標(biāo)定的數(shù)據(jù)，用于滿足系統(tǒng)的測(cè)試和圖像繪制要求。

圖3 嵌入式控制板結(jié)構(gòu)

測(cè)控裝置嵌入式PCB控制板如圖4所示，控制板所有器件均采用溫度等級(jí)較高的器件以保證電子節(jié)溫器綜合測(cè)試的可靠性。相較于PLC架構(gòu)設(shè)計(jì)具有制造成本低、工作效率高等特點(diǎn)，從而保證了過程安全性。

圖4 嵌入式PCB控制板

3 測(cè)試原理

文中所述電子節(jié)溫器綜合檢測(cè)系統(tǒng)具有多功能測(cè)試特點(diǎn)，通過介紹氣密性測(cè)試?yán)碚摶A(chǔ)與電子節(jié)溫器角度傳感器電機(jī)標(biāo)定策略，優(yōu)化了氣密性測(cè)試，提高了測(cè)試精度與測(cè)試效率；完善了標(biāo)定功能，提高了檢測(cè)精確度。

3.1 氣密性測(cè)試?yán)碚摶A(chǔ)

通常情況下測(cè)量時(shí)間較短，根據(jù)玻意耳-馬略特定律，可以得到理想氣體狀態(tài)方程為

(-Δ)=(-Δ)

(1)

式中：為被測(cè)容器內(nèi)的壓力，Pa；為被測(cè)容器內(nèi)氣體占有容積，m；Δ為檢測(cè)壓力狀態(tài)下泄漏氣體的容積，m；Δ為前后兩次檢測(cè)容器間的壓差，Pa。

泄漏氣體在一般情況下排向大氣，在大氣狀態(tài)下

×Δ=×Δ

(2)

式中：為大氣壓力，Pa；Δ為泄漏氣體體積，m。

則氣體的體積泄漏流量為

(3)

式中：Δ為前后兩次檢測(cè)的時(shí)間差，s；

所以，已知待測(cè)容器容積，通過獲取檢測(cè)時(shí)的大氣壓力以及待測(cè)容器的泄漏壓力差Δ和測(cè)試時(shí)間Δ即可求出泄漏量。

理想氣體狀態(tài)方程：

=

(4)

式中：為容器內(nèi)壓力，Pa；為容器容積，m；為氣體質(zhì)量，kg；為氣體常數(shù)，287 J/(kg·K)；為容器內(nèi)溫度，K。

根據(jù)式(4)可知?dú)怏w的壓力與體積、溫度有關(guān)。氣密儀檢測(cè)過程中氣體在密閉的空間內(nèi)被壓縮，導(dǎo)致氣體溫度上升，溫度變化對(duì)微小壓力的檢測(cè)有影響，最終會(huì)影響泄漏量的檢測(cè)結(jié)果。因此，在使用氣密儀進(jìn)行二次檢測(cè)時(shí)，需要等待傳感器和管路內(nèi)的氣體溫度恢復(fù)到初始溫度。氣密儀的檢測(cè)過程分為充氣、平衡、檢測(cè)和排氣4個(gè)環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都需要設(shè)置相應(yīng)時(shí)間，氣體需要達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后才能進(jìn)行泄漏量的檢測(cè)。氣密性測(cè)試對(duì)大規(guī)模生產(chǎn)的企業(yè)來說，生產(chǎn)效率也是極其重要的，理想狀況下檢測(cè)時(shí)間越長(zhǎng)，泄漏量的檢測(cè)準(zhǔn)確度越高，但在使用中需要根據(jù)實(shí)際情況來確定合理的測(cè)試時(shí)間范圍，以提高效率。因此可以增加兩次檢測(cè)的間隔時(shí)間，保證氣體恢復(fù)到原始溫度，經(jīng)多次試驗(yàn)需要14 s左右。

3.2 角度傳感器標(biāo)定控制策略

使用PTC-04、編碼器、測(cè)控裝置(含嵌入式控制板)對(duì)角度傳感器電機(jī)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，需要電機(jī)盡可能轉(zhuǎn)到預(yù)標(biāo)定點(diǎn)的角度位置以減小誤差。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一套閉環(huán)系統(tǒng)來使電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)到設(shè)定角度滿足誤差要求，如圖5所示。PID控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，故使用經(jīng)典的PID閉環(huán)控制，設(shè)置角度與編碼器反饋的實(shí)際角度的偏差值作為輸入并通過PID算法輸出給控制器，控制器對(duì)電機(jī)做出相應(yīng)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)到設(shè)置角度位置。

圖5 標(biāo)定PID控制框圖

如圖6所示，標(biāo)定時(shí)編碼器會(huì)將當(dāng)前的角度信息通過485傳輸協(xié)議上傳到測(cè)控裝置，核心處理器對(duì)其進(jìn)行誤差計(jì)算，根據(jù)PID控制算法輸出相應(yīng)的PWM波給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及速度等，最終使得執(zhí)行器輸出端轉(zhuǎn)動(dòng)到指定位置。同時(shí)測(cè)控裝置通過串口將角度信息上傳到上位機(jī)，再將標(biāo)定數(shù)據(jù)通過PTC-04以SENT通信方式寫入電機(jī)芯片。由測(cè)控裝置→電機(jī)驅(qū)動(dòng)→電機(jī)→編碼器→測(cè)控裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度的閉環(huán)控制。

圖6 標(biāo)定總體結(jié)構(gòu)框圖

考慮到電機(jī)的實(shí)際情況，由于速度過快導(dǎo)致慣性提高從而增加減速時(shí)間，所以需要設(shè)置上下限幅，限幅設(shè)置為60%占空比。另外PWM占空比低于8%時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)，故當(dāng)占空比小于8%時(shí)占空比視為0。為了更好地進(jìn)行PID調(diào)節(jié)，對(duì)調(diào)節(jié)區(qū)域進(jìn)行劃分如圖7所示，當(dāng)偏差在1、5區(qū)域時(shí)，進(jìn)行純P調(diào)節(jié)，此時(shí)只有比例調(diào)節(jié)作用，電機(jī)以相對(duì)較快的速度減小偏差；當(dāng)進(jìn)入2、4區(qū)域時(shí)，引入積分調(diào)節(jié)即此時(shí)為PI組合調(diào)節(jié)；當(dāng)偏差范圍在3區(qū)域時(shí)，已經(jīng)達(dá)到設(shè)定角度的誤差范圍，不需要積分調(diào)節(jié)，只剩比例調(diào)節(jié)，且比例調(diào)節(jié)此時(shí)的最大占空比為0.04%，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

圖7 PID區(qū)域劃分

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 上位機(jī)系統(tǒng)開發(fā)

上位機(jī)系統(tǒng)采用LabVIEW軟件開發(fā)，具有數(shù)據(jù)解析、顯示、圖線繪制、保存數(shù)據(jù)等基本功能。上位機(jī)系統(tǒng)整體采用功能模塊化設(shè)計(jì)，電氣功能測(cè)試與氣密性測(cè)試分別設(shè)計(jì)，順序包括電機(jī)電流檢測(cè)、球閥角度檢測(cè)、溫度檢測(cè)等；氣密性測(cè)試包括外泄漏檢測(cè)、內(nèi)泄漏檢測(cè)、流量測(cè)試。按上述檢測(cè)順序，通過比對(duì)數(shù)據(jù)，擬合曲線，比對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)，最終判斷待測(cè)樣件合格與否。上位機(jī)系統(tǒng)測(cè)試功能全面且在軟件設(shè)計(jì)上為以后功能擴(kuò)展和開發(fā)留有空間。上位機(jī)系統(tǒng)開發(fā)滿足電子節(jié)溫器各項(xiàng)測(cè)試，其詳細(xì)基本功能有：

(1)與測(cè)控裝置進(jìn)行串口通信，輸入目標(biāo)角度參數(shù)等，檢測(cè)電機(jī)電流等參數(shù)，接收所采集的電流、角度等數(shù)據(jù)并分析處理以及保存。

(2)實(shí)時(shí)顯示測(cè)試數(shù)據(jù)，并繪制角度測(cè)量曲線、電流測(cè)試曲線、標(biāo)定曲線、流量開度曲線。

(3)存儲(chǔ)測(cè)試參數(shù)與生成的圖像，比對(duì)數(shù)據(jù)，與標(biāo)準(zhǔn)樣件曲線擬合，比對(duì)誤差，判定合格與否。

電機(jī)控制與標(biāo)定界面如圖8所示，對(duì)待測(cè)電子節(jié)溫器控制PWM占空比使電機(jī)正、反轉(zhuǎn)同時(shí)測(cè)量角度，利用PID算法對(duì)電機(jī)進(jìn)行角度標(biāo)定，系統(tǒng)工作時(shí)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)電壓、電流。

圖8 電機(jī)控制與標(biāo)定界面

內(nèi)外泄漏與流量測(cè)試界面如圖9所示。對(duì)于不同型號(hào)的電子節(jié)溫器檢測(cè)，串口可進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)顯示通信狀態(tài)。對(duì)待測(cè)電子節(jié)溫器分別使用壓力型氣密儀進(jìn)行外泄漏測(cè)試，使用流量型氣密儀進(jìn)行內(nèi)泄漏測(cè)試。使用恒流鼓風(fēng)機(jī)作為氣源進(jìn)行流量測(cè)試，通過調(diào)節(jié)球閥角度，實(shí)時(shí)顯示各個(gè)球閥開度與相應(yīng)流量。另外具有故障檢測(cè)功能，根據(jù)指示燈識(shí)別故障種類，系統(tǒng)設(shè)置急停按鈕，發(fā)生故障嚴(yán)重時(shí)可及時(shí)停止測(cè)試。

圖9 內(nèi)外泄漏與流量測(cè)試界面

在流量測(cè)試中繪制流量開度曲線如圖10所示，分別繪制了4個(gè)通道的流量開度曲線：ZKG (旋轉(zhuǎn)閥接頭)，HWK(散熱器回流管接頭)，MCK(機(jī)油冷卻管接頭)，Bypass(散熱器供液管接頭)。

圖10 測(cè)試樣件流量開度曲線顯示界面

4.2 數(shù)據(jù)處理及性能驗(yàn)證

通過該測(cè)試系統(tǒng)檢測(cè)每個(gè)通道的流量開度曲線，與圖11所示第三方標(biāo)準(zhǔn)樣件流量開度曲線(采用某車企電子節(jié)溫器標(biāo)準(zhǔn)樣件曲線)比對(duì)數(shù)據(jù)和圖像，查看誤差是否符合要求，判斷樣件合格與否。如圖12所示，這里以其中一條通道舉例(其他3條通道測(cè)試過程和數(shù)據(jù)與圖像對(duì)比采取相同做法)。待測(cè)樣件球閥旋轉(zhuǎn)185°時(shí)的Bypass通道與第三方標(biāo)準(zhǔn)曲線對(duì)比誤差最大，最大誤差為6 mL/min。流量計(jì)量程為1 660 mL/min，其測(cè)量精度為0.5級(jí)，誤差范圍為8.3 mL/min。待測(cè)樣件最大誤差滿足要求，且曲線擬合良好，故通過流量測(cè)試。

圖11 第三方標(biāo)準(zhǔn)樣件流量開度曲線 圖12 擬合測(cè)試樣件曲線與標(biāo)準(zhǔn)曲線(以Bypass通道為例)

進(jìn)行內(nèi)外泄漏檢測(cè)且滿足外泄漏量小于7 Pa/s，內(nèi)泄漏速率小于8 000 mL/min，故該樣件氣密性檢測(cè)合格。又由于該樣件通過上述流程檢測(cè)且其他各種參數(shù)均滿足要求，所以判定該電子節(jié)溫器合格。

進(jìn)而選用同一電子節(jié)溫器在第三方企業(yè)的電子節(jié)溫器測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行綜合檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境、參數(shù)等條件相同，試驗(yàn)數(shù)據(jù)和文中系統(tǒng)測(cè)試圖像高度擬合，并且性能測(cè)試數(shù)據(jù)均能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試的設(shè)計(jì)參數(shù)要求，因此可得出結(jié)論：文中所研發(fā)測(cè)試系統(tǒng)通過系統(tǒng)驗(yàn)收，可正常進(jìn)行電子節(jié)溫器性能測(cè)試和氣密性測(cè)試，并且誤差滿足企業(yè)和國(guó)標(biāo)要求。

5 結(jié)論

(1)文中測(cè)試系統(tǒng)采用某車企的車載電子節(jié)溫器，通過PWM、SENT、RS485等信號(hào)將電子節(jié)溫器各項(xiàng)功能測(cè)試包括任意角度位置定位、電機(jī)電流檢測(cè)、角度傳感器電機(jī)標(biāo)定、外泄漏檢測(cè)、內(nèi)泄漏檢測(cè)、流量測(cè)試綜合組成一套完整的測(cè)控系統(tǒng)，檢測(cè)便利，測(cè)試效率高，周期短，自動(dòng)化程度高，將生成的數(shù)據(jù)報(bào)表和曲線與標(biāo)準(zhǔn)樣件的進(jìn)行對(duì)比，在誤差范圍內(nèi)可以判定合格。

(2)相較于PLC架構(gòu)為平臺(tái)的測(cè)試系統(tǒng)，文中所述嵌入式PCB的研發(fā)成本較低，能夠引入更多的復(fù)雜算法，且能夠兼容多種測(cè)試設(shè)備與執(zhí)行器，具有控制信號(hào)多樣、測(cè)試效率高等特點(diǎn)，同時(shí)結(jié)構(gòu)易拆卸，方便操作人員排查故障與維修。

(3)在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下使用壓縮空氣作為測(cè)試介質(zhì)相較于使用水為測(cè)試介質(zhì)的傳統(tǒng)方法，更為安全，不受主管因素影響，檢測(cè)周期短，系統(tǒng)能夠滿足至多3個(gè)電子節(jié)溫器的并行檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率。

(4)該測(cè)試系統(tǒng)將信號(hào)與系統(tǒng)、傳感器信號(hào)采集、嵌入式技術(shù)與經(jīng)典控制理論相結(jié)合，結(jié)構(gòu)安全和硬件方面均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，軟件方面通信信號(hào)多樣且通信過程良好，系統(tǒng)整體自動(dòng)化程度高；在硬件與軟件設(shè)計(jì)上保留了較好的可擴(kuò)展性，用于滿足各種不同型號(hào)的電子節(jié)溫器綜合測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)和功能拓展需要。隨著電子技術(shù)與氣動(dòng)技術(shù)的不斷進(jìn)步，自動(dòng)化氣密性檢測(cè)系統(tǒng)也會(huì)不斷創(chuàng)新和發(fā)展。