如何通过不同通道流量的开度曲线，判断电子节温器符合工业标准？

编辑|趣史研社

前言

传统的石蜡节温器有响应速度慢、开启温度固定等缺点，不能对冷却液温度进行精确控制。

随着节能减排要求的增加和电控技术的普及，国内越来越多的主机厂开始广泛应用电子节温器。

那么如何判断电子节温器符合标准，它又受哪些因素影响？

检测电子节温器的方法

如果电子节温器在使用过程中发生泄漏，会导致发动机过热，轻则损害发动机，重则造成安全问题，电子节温器的泄漏检测是产品是否合格的重要指标。

现有的泄漏检测方法大都以水作为介质通过流量测试实现，主要方法包括气泡法和涂抹法。

但这两种检测方法存在测量精度低、受主观因素影响大、检测周期长、效率低、安全性差等缺点。

由于空气和液体都是流体介质，具有非常相似的特点，空气与液体相比又具有黏度小、可压缩性好等特点，因此，使用空气代替水作为测试介质是可行的。

若采用气体流量检测和气体压力检测技术，既保证了测试过程的安全性和稳定性，同时提高了测试效率。

同时，系统能够检测节温器电机工作电压、电流、温度，并完成电机位置与角度传感器标定，实验结果表明，该检测系统能够高效率完成电子节温器标定和检验工作。

随着电子技术和气动技术的不断发展，气密检测方法也将得到改善，高度自动化气密检测系统必将成为一种发展趋势。

测试系统结构设计通过计算机3D建模而成，该系统总尺寸为1500mm×1000mm×900mm，主体框架均采用欧标8040铝合金型材制作。

系统包括主体部分和平台部分，主体内部装有执行器、传感器和测控装置，作为系统的控制部分，平台部分用于安装固定样件，作为系统的操作部分。

在使用含有嵌入式PCB的测控装置作为控制器时，使用压力型气密仪对样件进行外泄漏检测，同时使用流量型气密仪进行内泄漏检测，以及恒流鼓风机作为恒流气源。

其中，使用DN15热式流量计采集气体流量并输出4～20mA电流信号代表流量值，使用PTC－04、编码器等完成标定功能。

平台部分设有固定支架、操作板以及急停按钮等，用于固定电子节温器，完成相应测试、拆卸安装、急停等操作。

相较于传统方法与结构，此系统至多满足3个电子节温器并行检测，极大程度提高了效率和安装器件均符合WJ2227—1994要求，系统的主要参数如下。

系统主要性能参数

电子节温器综合检测系统，气体流速测试范围0.08～120m/s，被测介质温度范围－10～350℃，工作环境温度范围－20～45℃，工作压力范围0～4MPa，被测介质采用压缩空气。

电子节温器最大采集电流15A，被测电子节温器球阀开度范围0～260°，外泄漏量小于7Pa/s，内泄漏速率小于8000mL/min，阀门安装符合GB/—2008。

而主体部分分为3层，在上层设有电源箱，其中包括12V程控电源、24V开关电源、空气开关、电磁继电器、测控装置等设备，电源箱具有防尘、防震动功能。

可输出220V交流电、12V和24V直流电，对系统中的传感器和执行器供电。

当主体部分中层设有气动电磁阀、热式流量计时，会接收到24V直流电。

而主体部分底层还设有恒流鼓风机、压力型气密仪与流量型气密仪等，可用于接收220V交流电，该系统具有过流保护、过压保护和紧急停止等安全功能。

关于核心处理器，会直接选一款Cortex-M4内核的32位微处理器STM32F405ＲGT6，该处理器具有丰富的外设资源，包括定时器、串口、SPI、IIC、CAN控制器等，能够满足此实验的需求。

根据上述，就可以通过INA250A2和AD7923芯片，进行电子节温器电流、电压的采集，通过AD7793和ADT7320构建K型热电偶采集电路，与两种气密仪通信接收泄漏量。

其中，电子节温器阀门角度控制信号和上传温度、电流等传感器采集的信息和数据、标定的数据，用于满足系统的测试和图像绘制要求。

测控装置嵌入式PCB控制板，控制板所有器件均采用温度等级较高的器件，以保证电子节温器综合测试的可靠性。

而电子节温器综合检测系统具有多功能测试特点，通过介绍气密性测试理论基础与电子节温器角度传感器电机标定策略，优化了气密性测试，提高了测试精度与测试效率，完善了标定功能，提高了检测精确度。

通常情况下测量时间较短，根据玻意耳－马略特定律，可以得到理想气体状态方程为：

式中，p为被测容器内的压力，Pa，V1为被测容器内气体占有容积，m3，ΔVp为检测压力状态下泄漏气体的容积，m3，Δp为前后两次检测容器间的压差，Pa泄漏气体在一般情况下排向大气，在大气状态下公式如下：

式中，p0为大气压力，Pa，ΔV0为泄漏气体体积，m3，则气体的体积泄漏流量为

式中，Δt为前后两次检测的时间差s，所以，已知待测容器容积V1，通过获取检测时的大气压力p0，以及待测容器的泄漏压力差Δp和测试时间Δt即可求出泄漏量，理想气体状态方程:

式中，p为容器内压力，Pa，V为容器容积m3，n为气体质量kg，Ｒ为气体常数287J/(kg·K)，T为容器内温度K，根据式可知气体的压力与体积、温度有关。

当气密仪检测过程中气体在密闭的空间内被压缩时，会导致气体温度上升，温度变化对微小压力的检测有影响，最终会影响泄漏量的检测结果。

除此之外，气密性测试对大规模生产的企业来说，生产效率也是极其重要的，理想状况下检测时间越长，泄漏量的检测准确度越高。

但在使用中需要根据实际情况来确定合理的测试时间范围，以提高效率，因此可以增加两次检测的间隔时间，保证气体恢复到原始温度。

接着再使用PTC－04编码器、测控装置对角度传感器电机进行标定，标定时，需要电机尽可能转到预标定点的角度位置以减小误差。

为解决上述问题，需设计一套闭环系统来使电机自动转到设定角度满足误差要求，而这也对角度传感器标定控制策略极高。

角度传感器标定控制策略

PID需控制具有结构简单、稳定可靠等优点，故使用经典的PID闭环控制。

标定时编码器会将当前的角度信息通过485传输协议上传到测控装置，核心处理器对其进行误差计算。

根据PID控制算法输出相应的PWM波给电机驱动电路，控制电机正转、反转及速度等，最终使得执行器输出端转动到指定位置。

考虑到电机的实际情况，由于速度过快导致惯性提高从而增加减速时间，所以需要设置上下限幅，限幅设置为60%占空比，另外PWM占空比低于8%时电机不转，故当占空比小于8%时占空比视为0。

为了更好地进行PID调节，对调节区域进行划分，当偏差在1、5区域时，进行纯P调节，此时只有比例调节作用，电机以相对较快的速度减小偏差。

当进入2、4区域时，引入积分调节即此时为PI组合调节，当偏差范围在3区域时，已经达到设定角度的误差范围，不需要积分调节，只剩比例调节，且比例调节此时的最大占空比为0.04%，电机不转。

这当中需要用到的上位机系统采用LabVIEW软件开发，具有数据解析、显示、图线绘制、保存数据等基本功能。

上位机系统整体采用功能模块化设计，电气功能测试与气密性测试分别设计。

顺序包括电机电流检测、球阀角度检测、温度检测等，气密性测试包括外泄漏检测、内泄漏检测、流量测试。

按上述检测顺序，通过比对数据，拟合曲线，比对误差标准，最终判断待测样件合格与否，上位机系统测试功能全面且在软件设计上，为以后功能扩展和开发留有空间。

当上位机系统开发满足电子节温器各项测试时，需要具有其详细基本功能。

其一，与测控装置进行串口通信，输入目标角度参数等，检测电机电流等参数，接收所采集的电流、角度等数据并分析处理以及保存。

其二，实时显示测试数据，并绘制角度测量曲线、电流测试曲线、标定曲线、流量开度曲线。

其三，存储测试参数与生成的图像，进行比对数据，与标准样件曲线拟合，比对误差，判定合格与否。

当内外泄漏与流量测试界面对于不同型号的电子节温器检测，串口可进行相应设置，系统能够实时显示通信状态。

同时可使用恒流鼓风机作为气源进行流量测试，通过调节球阀角度，实时显示各个球阀开度与相应流量。

在流量测试中绘制流量开度曲线，分别绘制了4个通道的流量开度曲线，ZKG(旋转阀接头)，HWK(散热器回流管接头)，MCK(机油冷却管接头)，Bypass(散热器供液管接头)。

通过该测试系统检测每个通道的流量开度曲线，再比对数据和图像，查看误差是否符合要求，判断样件合格与否。

这里以其中一条通道举例，待测样件球阀旋转185°时的Bypass通道与第三方标准曲线对比误差最大，最大误差为6mL/min。

当流量计量程为1660mL/min，其测量精度为0.5级，误差范围为8.3mL/min，待测样件最大误差满足要求，且曲线拟合良好，故通过流量测试。

进行内外泄漏检测且满足外泄漏量小于7Pa/s，内泄漏速率小于8000mL/min，故该样件气密性检测合格。

又由于该样件通过上述流程检测且其他各种参数均满足要求，所以判定该电子节温器合格。

进而选用同一电子节温器，在第三方企业的电子节温器测试系统进行综合检测试验，试验环境、参数等条件相同，试验数据和文中系统测试图像高度拟合，并且性能测试数据均能达到标准测试的设计参数要求。

结论

因此可得出结论，文中所研发测试系统通过系统验收，可正常进行电子节温器性能测试和气密性测试，并且误差满足企业和国标要求。

通过硬件与软件设计上保留了较好的可扩展性，可以用于满足各种不同型号的电子节温器综合测试系统开发和功能拓展需要。

那么随着电子技术与气动技术的不断进步，自动化气密性检测系统也将不断创新和发展。

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