基于LabVIEW 的电子辅助水泵检测系统*

许冀阳 李松峰

（1-陕西工业职业技术学院汽车工程学院 陕西 咸阳 712000 2-长安大学汽车学院）

引言

电子辅助水泵作为一种新型的冷却系统水泵，广泛应用于涡轮增压发动机，有效解决了涡轮增压器在发动机停止运转后的散热问题。当发动机停止运转后，涡轮增压器温度仍较高，ECU 控制电子辅助水泵继续工作，使发动机冷却液不断流动，减少热负荷，有效解决了发动机熄火后涡轮增压器因过热而导致的故障隐患[1-2]。由于水泵生产企业制造工艺水平的不稳定，导致水泵新产品的质量水平和性能指标存在差异，故需对水泵进行相关性能测试，通过对流量、功率、扬程和效率等参数的检测来判断其性能的优劣[3-4]。这些参数相互之间存在着相对应的关系，当流量与转速变化时，会引起其他参数变化[5]。利用水泵性能测试试验，获得不同运行工况下的参数指标，并通过关系式计算，得到水泵各性能参数之间的变化关系[6]。因此，有必要对电子辅助水泵新产品进行检测试验及性能参数数据采集[7]。

美、日、欧等国家和地区在水泵性能检测方面的研究较早，已开发出相当成熟的检测系统，尤其是通过计算机辅助实现了高自动化检测。如德国的KSB公司和美国的TecQuipmentInc 公司都采用了以计算机为核心的自动化数据采集检测系统。但该系统在数据分析处理方面略显不足，同时检测效率不高[8]。由于计算机技术和传感器技术的不断创新和突破，水泵测试技术正朝着高自动化、多功能化方向发展。武汉理工大学、中国农业机械化科学研究院、江苏大学等单位经过长期研究，开发出了各具特色的水泵性能参数测试系统，引领了国内水泵检测系统的发展方向。但检测精度较低，检测系统价格较高，同时大多测试系统检测仪器多，控制软件界面不够友好[9-10]。针对上述问题，根据QC/T 288.2-2001《汽车发动机冷却水泵试验方法》[11]，基于labVIEW 2014 虚拟仪器平台，结合传感器技术和计算机技术，开发了一款适合生产环境、快速、稳定、通用的电子辅助水泵检测系统，检测水泵的参数,判断其性能是否满足发动机冷却系统的要求。

1 方案总体设计

1.1 水泵检测系统性能试验

根据QC/T 288.2-2001 规定的水泵性能试验要求，测试试验中，控制电子辅助水泵工作在某一固定转速，改变调节阀开度大小，调整水泵流量，并保持测试系统稳定运行，检测电子辅助水泵的运行参数。本文中，主要检测电子辅助水泵的性能。表征电子辅助水泵性能的参数有功率、效率、流量和扬程，由于电子辅助水泵在壳体内高度集成了叶轮、内部腔室和控制电机，故水泵功率无法通过直接测量转速和转矩再进行计算的方式得到，而是通过检测输入水泵的电流和电压来测量输入功率。水泵扬程与流量、功率有直接关系，与进出口的压力差成正比，计算公式如下。

式中：pout、pin分别为水泵的进出口压力，Pa；ΔH 为进出口端面高度差，m；ρ 为液体密度，kg/m3；g 为重力加速度，m/s2。

因此，在电子辅助水泵性能测试中，主要对转速、流量、进出口压差、水泵输入电压和电流等参数进行测量。

1.2 水泵检测系统的主要功能

本文基于LabVIEW 开发的电子辅助水泵检测系统，保证检测系统处在稳定的状态下，水泵转速一定时，测量扬程、功率和效率随流量的变化关系。通过改变阀门开度的大小，实现对流量的稳定控制，保证流量稳定流动，采集电子辅助水泵试验数据，生成性能曲线图。

本文开发的电子辅助水泵测试系统主要有以下功能：

1）对冷却系统的电子辅助水泵进行性能测试；

2）实时读取被检测水泵的流量、进出口压差、功率等运行参数；

3）电子辅助水泵的运行参数和对应的性能参数可自动保存；

4）可实现最多4 种功能的自动检测，包括特征点检测、性能曲线检测、调速检测以及过电压检测；

5）设置后，可适用于不同型号的辅助冷却液泵的检测；

6）可对检测的历史数据进行查询。

1.3 水泵检测系统的硬件结构设计

该检测系统以工控机为平台，包括信号检测装置、数据采集装置、控制装置及试验台架等。整个检测系统由工控机、数据采集卡、控制电路、电动比例阀、流量计、压差计、水路系统等相关部件组成，对电子辅助水泵的相关性能参数进行采集和处理。该检测系统试验台架的布置如图1 所示。

图1 水泵检测系统试验台架布置图

2 测试原理

2.1 检测系统的检测参数

本文主要开展水泵性能试验，即检测水泵在给定转速、不同流量下的运行参数。试验中，直接测量的参数有转速、流量、进出口压差、水泵输入电压和电流，通过软件分析和计算得到扬程（H）、功率（P）、效率（η）等性能参数，生成水泵Q-H（流量-扬程）、Q-P（流量-功率）、Q-η（流量-效率）等性能曲线，从而判断电子辅助水泵是否达到出厂标准。

2.2 检测系统的控制和数据采集

水泵检测系统由传感器、多功能数据采集卡和计算机组成，如图2 所示。

图2 水泵检测系统信号采集和控制框图

各种传感器对水泵性能参数进行数据采集和信号处理，转化为能够识别的电信号送至数据采集卡，再通过USB 端口输入计算机，实现对电子辅助水泵进出口压差、流量、转速、电压和电流等参数的测量，并完成数据的采集、存储和处理，最终经过计算得出扬程、功率和效率等性能参数。检测系统中使用的传感器主要有：流量传感器、进出口压差传感器、电流传感器、温度传感器、电压传感器等。传感器选型为：流量检测选用LWGY 系列流量计，量程为10～100 L/min；压差传感器选用T20C 压力变送器，量程为0～100 kPa；电流检测选用ACS712 电流传感器，量程为-5～5 A。

2.3 水泵检测系统工作原理

在开展水泵性能检测试验时，应先设定转速范围和流量测试点的个数。转速范围选取为40%～120%水泵额定转速，均匀间隔选取4 种或4 种以上不同转速进行检测试验。水泵在设定的转速下运行时，通过计算机控制电动比例阀全开，逐步调节流量从最大值到最小值，均匀选取8 个以上检测流量点，待流量稳定后，读取检测仪器在各选取流量点的参数，如流量大小、电子辅助水泵输入电流和电压以及进出口压差，并结合计算软件分析和计算，得出水泵性能参数，绘制出设定各转速下的Q-H、Q-P、Q-η性能曲线。

3 软件设计

3.1 水泵检测系统软件设计

在本次开发设计的电子辅助水泵性能检测系统中，采用了美国NI 公司的专用图形化编程语言LabVIEW[12]。该软件平台使用可视化界面，采用图形化数据流式编程语言，通过数据线将各种功能模块的图标连线，进行语言程序开发[13-14]。它开发周期短，编程效率高，特别适用于数据采集、信号分析处理软件设计和虚拟仪器开发。该LabVIEW 测试软件界面友好直观，可提高检测效率。

3.2 检测系统软件主要界面

软件主要界面如图3 所示。A 区为电动比例阀状态指示灯，显示电动比例阀的工作状态，分为闪烁、常亮以及常暗3 种状态；B 区为数据显示区，实时显示各测量值；C 区为功能选择区，可选择需要进行的检测项目；D 区为功能显示区，选择功能后，此区域将跳转至对应的工作页面，默认页面为特征点检测；E 区为检测控制区。

图3 检测系统控制界面

3.3 软件模块化设计程序

该检测系统软件设计采用模块化结构设计，主程序调用方便、逻辑清晰，每个功能独立的模块作为一个子程序。根据该检测系统的各项功能需求，由流量控制、数据采集处理、数据存储、曲线拟合以及结果查询等5 个子程序组成控制主程序，在水泵性能检测试验中，调节转速达到测试目标，控制电动比例阀，使阀门全开，设定8 个流量稳定等分检测点。通过控制电动比例阀，实现闭环PID 控制流量。同时，利用相关传感器不断采集水泵流量、进出口压差、输入电流和电压，然后计算出水泵扬程、功率和效率。

4 试验验证与分析

为验证所开发的电子辅助水泵检测系统的检测精度和可靠性，搭建了检测试验台，如图4 所示。

图4 电子辅助水泵检测系统试验台

性能试验中，将电子辅助水泵的转速设定为3 700 r/min，根据水泵流量范围，控制电动比例阀，调节流量大小，选取8 个点进行试验，测量电子辅助水泵在不同流量点的输入功率、输出功率和进出口压差，系统自动生成功率、进出口压差随流量变化的关系曲线，如图5 所示。

图5 性能曲线检测

5 结论

本次开发设计的水泵检测系统是集传感器、自动化控制、计算机与测试技术于一体的智能检测系统。该检测系统成熟可靠、稳定性好、精度高、抗电磁干扰能力强。同时，操作界面友好、操作简单、数据显示直观，可以在计算机控制下自动完成性能参数曲线的绘制，水泵检测效率大幅提升。