基于研华数据采集卡的智能张压力测试系统设计

2018-01-15肖卓名

装备制造技术 2017年11期

肖卓名，廖攀

1 设计背景

在石油测井行业，由于所使用测井仪器中张力短节工作一段时间容易出现传感器不准或失灵等故障，若没有及时校验测试会导致重大事故发生；且油田测井操作人员长期驻外工作，若将测井仪器带回总部计量校验，则路途遥远，操作不便。因此开发便于携带、方便使用的张压力校验设备，对测井仪器张力短节中的张力传感器进行现场校验，或现场测试电缆、弱点螺钉等的拉断力尤为必要，可配备于油田各驻外基地现场使用。为此，本文介绍了一款智能张压力测试系统。它使用研华数据采集卡的工控机作为主控单元，使用Labwindows/CVI进行上位机编程，通过PID调节控制系统压力，对待标定仪器进行标定，构成一种虚拟仪器的控制系统[1]。

2 基本原理和重要技术参数

由于所测试内容为张力短节中传感器校验，或测井电缆、弱点螺钉、三锥套等的拉断拉脱测试，因此所选传感器量程必须大于所测试对象最大测试范围。根据行业经验，测井仪器中张力短节传感器量程均在10 t以下，φ11.8 mm规格电缆最大拉断力不超过12 t；对于刚性构件，拉伸或压缩时弹性形变非常微小，对于电缆拉断，1.5 m电缆拉断最大拉伸量不超过20 cm.因此，所选张力传感器量程应大于12 t，所选位移传感器量程应大于200 mm.

2.1 基本原理

智能张压力测试系统主要包括：工控机、力加载驱动系统、液压缸及其夹具、力测试原件及其夹具。其中工控机作为主控单元，包括电脑主机和研华数据采集卡，为控制系统的核心；力加载驱动系统和液压缸及其夹具构成一个完整的液压动力系统，具体构成见第3节。组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图

开始测试前，先将试样用工装夹具固定于液压缸和力测试原件之间，之后可启动工控机，打开编写的测试软件选择测试模式，测试板卡将会根据程序对力加载系统进行控制，从而对液压系统进行控制。即通过写有测试软件的工控机对力加载驱动系统和液压缸及其夹具组成的液压动力系统进行控制，从而完成对试样的标定或拉断或拉脱试验。

2.2 重要技术参数

2.2.1 环式压力传感器

由于受系统结构影响，所测试仪器必须穿过液压缸，因此压力传感器应定制为环式结构，所选量程大于12 t即可；为保证精度，以免信号传输中信号失真，传感器输出信号应为电流信号。参数如下：

①最大测量：±15 t

②供电电压：5~15 VDC

③输出阻抗：350 Ω

④输出灵敏度：2 mv/V

⑤输出信号：4~20 mA

2.2.2 赫斯曼插入式一体式温度传感器

系统对于温度传感器没有太大要求，常用油温计即可。参数要求如下：

①测温范围：-50℃~100℃

②供电电压：24 VDC

③输出信号：4~20 mA

2.2.3 位移传感器

位移传感器主要用于测试电缆拉断时电缆的拉伸长度，因此量程应大于测试电缆最大拉伸量200 mm的范围，因此选择如下参数：

①量程范围：0~325 mm②供电电压：24 VDC

③输出信号：4~20 mA

3 液压动力系统

3.1 液压动力系统的组成及主要参数

液压系统由液压泵站、溢流阀、球阀、电磁比例阀、高速油管软管、压力表、手动液压阀、手压泵、加热带、温度传感器、油箱和液压缸等组成。

主要技术参数为：

①油泵压力：21 MPa（额定工作压力为14 MPa）②油泵流量：3.5 L/min

③各种阀门压力：31.5 MPa（额定工作压力<16 MPa）

④油泵电机：单相交流电机。功率：750 W，转速：1 400 r/min，电压：220 VAC

⑤液压缸最大拉力：150 kN

3.2 结构方案及工作原理

系统液压原理如图2所示。其中，电机泵为系统提供动力；过滤器防止颗粒污染物进入液压系统损坏液压元件；三位四通电磁比例溢流阀通过上位机软件可以控制液压缸的负载能力，来达到不同的张、压力需求，和压力传感器形成闭环控制，可以提前设定目标值；手动开关用于切换自动化控制和手动操作控制；溢流阀设定值为系统最高压力负载，用于保护整个液压系统；压力传感器检测整个系统压力负载，同时带有指示表头，用于在断电情况下显示系统压力；位移传感器用于检测液压缸位移，从而检测试件被拉伸长度；手动液压源用于在没有电的情况下，系统实验用。

图2 液压原理图

工作原理为：油泵电机启动后带动齿轮泵转动，从油泵排出的液压油经阀组进入液压缸，推动活塞杆移动。活塞杆的拉伸（收回油缸）和回程（推出油缸）是通过比例换向阀切换液压油的流向来实现的。油泵的启动和停止、油缸拉伸和回程、油缸停止等功能均可用计算机自动控制，也可手动控制。利用计算机自动控制时，油缸拉伸和回程达到设定值后可自动停止。

4 电气部分

4.1 电气部分主要组成

智能张压力系统的电气部分主要由信号调理箱、试样装卡电机、油泵电机、电磁换向阀、传感器、计算机六大部分组成。传感器信号通过信号调理箱进行滤波、放大等处理进入采集卡，通过上位机软件自动控制，计算机输出信号再次通过调理箱对固态继电器、比例阀等器件进行控制，实现手动、自动多功能控制。

4.2 计算机控制系统

装有研华PCI-1716数据采集卡的工控机作为控制系统的核心部分，基于Labwindows/CVI平台编写的上位机控制软件对整套系统进行操作，可对系统参数如系统张、压力、液压缸位移、温度等参数实时监测显示，它起着操作设备完成试验和显示数据、打印试验结果两大任务。除此之外，计算机还能把每次试验结果长期保存，以便查找。系统信号原理图如图3所示。

图3 系统信号原理图

采集卡实时读取张力传感器、位移传感器等数据并返回给上位机，压力传感器、位移传感器和比例阀开口大小形成闭环控制，通过PID算法实时动态调节比例阀开口大小，从而对系统压力和液压缸移动速度进行控制调节[2]。如测试系统初始化设定标定最大压力（或张力）为10 t，标定点数为10个，则系统自动按标定区间和点数平均分配10个点，即1 t标定1次。当系统压力（或张力）从0升至1 t时，计算机通过PID调节会将系统压力稳定在1 t，稳定时间超过设定值或点击下一点标定则进入下一点2 t的标定。以此类推，直至10个点标定完成。在工件测试时，能正确响应任意张、压力值的设定（设备张力范围内），当系统张力值达到设定值后，液压缸活塞杆停止运动，张力值保持在设定值，当再次操作时，液压缸活塞杆根据预设状态继续工作。

其中工控机有自带有RS-232串口，通过RS232转RS485电路，可将测试系统实时压力值通过RS485发送给外挂显示仪表，以便试验操作时更直观了解系统情况。

同时，该上位机软件可针对不同测试件（如电缆、弱点螺钉）对应选择相应的测试模式，进行连续测试或间断测试。

5 结束语

该系统很好地实现了检测电缆、弱点螺钉等的拉断力值，检测电缆在三锥套的拉脱力值，测井仪器张力计等的张力和压力试验的专用设备测试。设备整体实物图如图4所示，对测井仪器张力短节标定曲线如图5所示。相比于现阶段测试设备：每次测试手动选择测试点，在测试点处难以保持力的稳定，且测试数据手动记录分析，该系统充分运用计算机技术对试验机进行各种参数预设，自动测量控制、数据处理、绘制曲线以及打印等。该系统有着良好的人机界面，可广泛应用于电力供电部门和油田测井公司及其他工矿企业、质检单位、学校科研单位对各种用于长软试件破断试验测试。