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算后，給出線圈驅動電流I，從而完成了整個系統(tǒng)的閉環(huán)反饋控制。圖1.1智能閥門定位器整機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)曲線關系決定了整個產(chǎn)品的性能優(yōu)劣。在檢測調(diào)試過程中，關系到整機中重要的技術指標I-PD、PD-PC和I（4~20mA）-L等幾組參數(shù)均由手工進行測量，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主要功能及技術指標本儀器主要完成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液晶屏顯示檢測結果。
(b)將記錄的PD、PC氣壓數(shù)據(jù)發(fā)送到PC計算機，并以excel文件形式儲存。
2.2整機性能（執(zhí)行器位移）的檢測
(a)對位移傳感器進行整定，得出傳感器位移與輸出電壓的函數(shù)關系。
(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)關系，計算出執(zhí)行器位移的誤差率。
2.3主要技術指標工作溫度：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總體設計及器件選型本儀器整體原理如圖2.1所示。整個系統(tǒng)采用MSP430F169單片機控制，帶小鍵盤操作和320×240LCD顯示，并可與PC機進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個數(shù)字鍵、“←”、“→”、“↑”、“↓”4個方向鍵、以及“取消”和“確定”共16個鍵組成。鍵盤采用矩陣掃描電路，控制器采用周立功公司設計的數(shù)碼管顯示驅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)濟型輕系列電源4NIC-50，交流220V電壓輸入，帶15V3A和5V1A兩個輸出。
3.4氣壓傳感器氣壓傳感器將PD、PC氣壓轉換為電壓信號送給主電路進行處理。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口高精度力敏芯片為中心感測元件，運用溫度自補償及歸一化電路調(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)行器位移量轉換為電壓信號送給主電路進行處理。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電塑料材質制造，具有*的準確度。其主要性能參數(shù)如下：有效測量行程：50mm獨立線性度：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行AD轉換后送給CPU處理，然后再控制其他部件做出各種響應，以完成設定的工作。主電路又可以分為CPU、電流源、AD轉換、與PC機的RS232通信等幾個部分。
4主電路的設計及器件選型
4.1CPU本儀器采用單片機控制，CPU選擇TI公司的MSP430F169。MSP430系列單片機是一種功能非常強大的16位單片機，目前在許多領域得到了廣泛的應用，MSP430的主要特點為：
?。?）超低功耗MSP430系列單片機的電源電壓采用1.8~3.6V低電壓，并擁有5種低功耗模式。
（2）高速的運算能力16位RISC架構，125ns指令周期。
?。?）豐富的功能模塊包括多通道10~14位AD轉換器、雙路12位DA轉換器、看門狗定時器、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)試程序時通過一個廉價的JTAG接口轉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,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,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個電流源，一個用于產(chǎn)生0~1mA恒定電流供PD、PC氣壓測量時使用，另一個提供0~20mA恒定電流供整機性能檢測時使用，2個電流工作原理一樣，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，運放為TLV2254，具有很高的輸入阻抗，T1、T2為9013三極管，組成達林頓管。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，又因為9013的β值在150以上，所以9013組成的達林頓管的的電流放大倍數(shù)β2很大，因此可近似認為IL=IE=U1/R0?？梢哉J為電流IL只隨電壓U1被控制，而與負載RL無關，既實現(xiàn)了單片機控制恒流源。R0的值在2.473~2.512之間變化，因此當令U1在0~2.5V之間變化時，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轉換氣壓傳感器和位移傳感器將氣壓和位移量轉化為電壓信號后再經(jīng)AD轉換后送給CPU進行處理，以實現(xiàn)相應的功能。本儀器所采用的AD芯片為ADI公司16位/24位高精度AD轉換器AD7734，外接電壓基準為ADI公司的2.5V高精度電壓參考源AD780。
4.4與PC機的RS232通信為方便測量所得得各項指標參數(shù)的保存及進一步分析處理，需將必要的參數(shù)
轉移到PC機上以Excel文檔形式保存。單片機與PC機通信一般采用RS232標準串行通信來實現(xiàn)，但由于單片機的電平與PC機串口的電平比一致，因此需要進行接口轉換，本系統(tǒng)采用SP3220E芯片來實現(xiàn)接口轉換，如圖3.6所示。
TXTXRXTXMSP430F169SP3220EPC圖3.6RS232通信接口轉換SP3220E是一款低功耗的RS232驅動芯片，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。與本文相關的論文有：油炸方便面生產(chǎn)工藝
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