高压空气压缩机容积效率测量装置的设计

张玉峰，陈远江，雷 洁，彭 磊



高压空气压缩机容积效率测量装置的设计

张玉峰，陈远江，雷 洁，彭 磊

（武汉军械士官学校，武汉 430075）

容积效率是衡量高压空气压缩机性能的一项重要指标。本文论述了容积效率测量的基本原理，设计了利用气瓶、压力传感器、温度传感器、电磁阀和计算机直接对高压空气压缩机容积效率进行测定的装置，利用该装置对高压空气压缩机容积效率测量进行了测量。试验结果表明：该装置工作性能稳定，平均误差在3％以内，系统测量精度高，适用范围广。

空气压缩机 容积效率 测量装置

0 引言

气动系统主要动力部件是空气压缩机，气动系统压力比较高，因而高压空气压缩机发生故障的也比较多。高压空气压缩机的故障是多方面的，其故障检测比较复杂，高压空气压缩机工作部分封闭在壳体内，难于从外部直接观测，测量；其次高压空气压缩机故障原因复杂，例如，气动系统压力不足，不仅与高压空气压缩机有关，还和气动系统压力控制阀、外负载的状态有关。近几十年来，高压空气压缩机故障诊断迅速发展，从早期的专家个人经验诊断，现已发展到高压空气压缩机的在线诊断。

目前，高压空气压缩机的在线故障诊断技术主要是以工况监视为特点，对设备特征信号进行检测、分析和处理，利用特征信号进行故障诊断。高压空气压缩机中有许多相对运动的部件，运动部件相互摩擦并磨损，导致高压空气压缩机内泄漏增大，容积效率下降。此外，高压空气压缩机橡胶密封件老化，也会导致内泄漏增大，特别是在常见的活塞式气动缸，活塞密封圈老化失效会使高压空气压缩机不能工作，因此测量高压空气压缩机容积效率，是高压空气压缩机在线故障诊断主要技术之一，在高压空气压缩机进行检查、维修时，须对容积效率进行测定。笔者设计了一种高压空气压缩机容积效率测量装置，利用容积效率变化对高压空气压缩机进行故障诊断，测量方法简单，精确性高，自动化好，非常实用。

1 容积效率测量的基本原理

根据理想气体状态方程，气瓶初时的空气质量为：

（1）式中，p为气瓶4容积，为摩尔气体常数，为摩尔质量。末时的空气质量为：

（2）

在2-1时间内高压空气压缩机压入气瓶4的空气质量为：

=2-1时间内吸气状态下的空压机理论排气量为：

式中，为高压空气压缩机工作频率，g为高压空气压缩机工作容积，3为标准大气压力，3为环境温度，排气电磁阀1打开时，1=3、1=3。被测高压空气压缩机容积效率为：

根据计算方法，系统逻辑控制主要是控制进气和排气电磁阀的开启和关闭，当达到一定条件时监测记录气体压力和温度，综合这些参数，按照公式即可完成容积效率的计算[1]。

2 系统设计

高压空气压缩机容积效率测量装置分为三部分，一是容积效率测量机械装置，二是控制电路的硬件，三是逻辑控制功能软件。

2.1容积效率测量机械装置

容积效率测量机械装置主要有气瓶、连接部件、气电阀和传感器等。气瓶4两端有带外螺纹的进气口5和排气口3，排气口3通过外螺纹连接有排气电磁阀1，进气口5通过外螺纹连接有四通接头8，四通接头下接头13通过内螺纹连接气瓶进气口5，四通接头左接头11通过内螺纹连接压力传感器12，右接头7通过内螺纹连接温度传感器6，上接头10通过内螺纹连接进气电磁阀9。

具体见图1。

图1测量装置结构图

2.2控制电路硬件的设计

硬件电路主要涉及气电阀的控制和传感器信号的采集，硬件电路框图如图2所示，以单片机MC9S12XS128为核心控制单元，MC9S12XS128通过其控制气电阀专用驱动芯片L9349实现对进气电磁阀和排气电磁阀的开启和关闭控制。同时，气电阀的状态也能通过L9349传递到MC9S12XS128，实现气电阀状态实时监控。压力传感器和温度传感器实时监测系统压力和温度，其输出信号为4-20 mA电流信号，电流信号具有较强的抗干扰能力，但是不能直接被MC9S12XS128采集，通过信号隔离器，将电流信号转换为0-5 V的电压信号，送入MC9S12XS128的AD模块。

MC9S12XS128单片机是NXP公司S12XS系列的一种型号，是新一代16位微控制器，可以兼容S12XE系列，具有较高的运行效率和丰富的外围设备接口，同时具有低成本、低功耗的优势[2]，S12XS系列运行在等待状态的情况下可以为所有外围设备和存储器提供16位宽的访问。

L9349是ST公司设计的用来驱动感性负载的功率器件，具有4路独立的驱动通道且每路通道带有实时状态反馈功能，可以直接与MC9S12 XS128单片机IO接口相连，实时识别电磁阀是否存在短路、开路、温度过高或负载太大的情况。同时，芯片内部具有自我保护和ESD保护功能，适应复杂环境，提高了系统运行的可靠性。L9349与MC9S12XS128连接电路如图3所示。

图2 硬件电路框图

图3 L9349与MC9S12XS128连接电路图

逻辑控制功能是通过软件，控制储气瓶中气体的流动过程，实现气压的精确测量，由逻辑控制单元实现

2.3 逻辑控制设计

高压空气压缩机容积效率测量装置工作时：将高压空气压缩机出气口与进气电磁阀进气口相连，工作时，打开进气电磁阀、排气电磁阀，高压空气压缩机工作，待高压空气压缩机工作稳定，关闭排气电磁阀，计算机记下气瓶初压力值1、时间1、温度1，高压空气压缩机继续工作，到达设定的额定压力值时计算机记下气瓶压力值2、时间2、温度2，排气电磁阀打开，逻辑控制流程见图4。

本设计的控制需要注意的是，由于数据计算中涉及浮点运算的乘除法，而 MC9S12XS128只能进行定点运算，没有专门的浮点运算器，系统通过模拟的方式进行浮点运算，实现了低成本的控制方式，显著提高了硬件系统经效比[3]。

3 试验数据和结果

根据2.3方法进行实验，测得实验数据。将实验过程采集的数据按一定的方法进行处理，以减小实验过程的数据处理误差。本试验中气瓶初始压力值1=0.1 MPa，初始时间1=0 min，初始温度1=24℃将其输入系统，开机运行即可测得高压空气压缩机容积效率。如此重复3～5次，求平均值。数据见表1。

图4 逻辑控制流程图

表1 实验数据

实验结果表明，该装置能对高压空气压缩机容积效率测量进行测量，平均误差在3％以内。通过实际检验，该系统有如下优点：传感器接入比较简便，系统操作界面简单，工作性能稳定，系统测量精度高，该装置适用范围广。

4 结束语

随着我国现代化工业的迅猛发展，势必对气动性能检测提出更高更快更准确的要求，而高压空气压缩机容积效率作为高压空气压缩机性能检测中的一项重要指标，对气动性能检测起着重要的作用。本系统的设计成功，可提高以往高压空气压缩机容积效率检测的不足，适合于气动系统检测部门和检验中心，方便快捷地对高压空气压缩机进行检测。

[1] 杜慧勇, 谢春华, 王站成. MC9S12DGl28单片机在频率测量系统中的应用[J]. 河南科技大学学报(自然科学版), 2009, (3): 40-42.

[2] 陈森林, 田华. 快速浮点除法运算及其在单片机上的实现[J]. 陕西师范大学学报(自然科学版), 2004, 32(2): 43-45.

[3] 段国丽, 张晓东. 单片机中的浮点乘法运算方法[J]. 江汉大学学报, 2001, 18(6): 78-82.

Design of a Volumetric Efficiency Measuring Device for High Pressure Air Compressor

Zhang Yufeng, Chen Yuanjing, Lei Jie, Peng Lei

(Wuhan Ordnance Noncommissioned Officer School, Wuhan 430075, China)

TH137.31

A

1003-4862（2017）06-0078-03

2016-09-25

张玉峰（1959-），男，教授。研究方向：空气压缩机。