采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统

摘要

本发明涉及一种采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统，包括基于PXI总线结构的控制主机、两块NIPXI-6238M系列数据采集卡和一块NIPXI-6514工业级IO卡；所述的基于PXI总线结构的控制主机利用所述数据采集卡的AI通道采集被测泵的压力、温度、转矩、转速信号，利用CTR计数器对被测泵流量脉冲信号进行采集，利用该采集卡的AO通道对液压系统中的比例溢流阀、变频器、电动调节阀进行控制；利用工业级IO卡对驱动被测泵的电机运行状态，过滤器堵塞，油箱液位开关量信号进行采集，同时输出开关信号对各类阀、电机进行控制。本发明硬件结构简单、设计合理，能高效、精确的完成对高压泵的性能测试。

说明书

技术领域

本发明涉及高压泵性能测试技术领域，特别是一种采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统。

背景技术

液压泵作为液压系统的动力元件具有十分重要的地位，它的性能对整个液压系统的性能有着巨大的影响，液压泵能否正常稳定工作关系到整机系统能否达到设计和作业要求。所以，对于液压泵性能的精确测试有着非常重要的意义，而当前，液压传动系统又正朝着高压、高速、大流量和高功率方向发展，因而，研制具有一定测试精度和自动化程度的高功率高压泵性能试验台就显得尤为重要。

随着液压技术的不断发展及其应用的不断推广，对液压泵等液压元件的性能测试要求越来越高，传统的测试方法显得不够完善、精度较低，而且自动化程度不够。为提高测试精度，加快测试速度，将液压技术、计算机技术、控制技术和测试技术相结合的液压元件计算机辅助测试CAT（Computer Aided Test）系统，得到越来越广泛的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统。

本发明采用以下方案实现：一种采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统，包括被测泵，其特征在于：还包括基于PXI总线结构的控制主机、两块NI PXI-6238 M系列数据采集卡和一块NI PXI-6514 工业级IO卡；所述的基于PXI总线结构的控制主机利用所述NI PXI-6238 M系列数据采集卡的AI通道采集被测泵的压力、温度、转矩、转速信号，利用所述NI PXI-6238 M系列数据采集卡的计数器对试测泵流量脉冲信号进行采集，利用所述NI PXI-6238 M系列数据采集卡的AO通道对液压系统中的比例溢流阀、变频器、电动调节阀进行控制；所述的基于PXI总线结构的控制主机利用所述NI PXI-6514 工业级IO卡对驱动被测泵的电机运行状态，过滤器堵塞，油箱液位开关量信号进行采集，同时输出开关信号对各类阀、电机进行控制。

本发明的硬件系统作用是对液压泵工作性能进行检测，以辨别产品好坏，并为液压泵的结构改进设计提供理论依据，所以对泵性能的测试范围、测试速度和测试精度都有相当高的要求，而本发明开发出的采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统满足这一要求。其具有如下优点：

1.所研发的液压泵性能试验台功率高，可达200KW，并采用了功率回收补偿方式；系统压力和流量分别可达40MPa和300L/min，有较大的测试范围。

2.由于系统压力较高，试验台加载部分采用直动溢流阀（20MPa和40MPa）和比例溢流阀（40MPa）相结合的方式进行手动分级调压和计算机自动加载，以提高加载的精度和自动化程度；同时，由于流量较大，系统设置了大、小两路流量计，对于不同的流量采用相应的流量计进行测量，以提高测试精度。

3.所研发的测试台的计算机辅助测试系统采用了虚拟仪器这一最先进的技术，节省了硬件投入；结合了PXI总线结构和继电器技术，实现了手动/自动的同时操作，直接反馈；所述测试台也可以实现一键式全自动化，以提高测试速度。

4.所研发的高压泵性能测试台的计算机辅助测试系统是基于Labview9.0图形化语言开发的，并采用了NI公司的最先进的数据采集卡，扩展性强，开发周期短，大大提高了系统的测试精度和测试速度。

本硬件测试系统设计合理，技术先进，控制方便，试验全面，为泵的出厂检查，性能分析提供了一流的平台，具有较大的使用价值和推广价值，其为高校的科研会带来更多的成果。

附图说明

图1是本发明硬件系统原理架构示意图。

 

具体实施方式

以下，结合附图对发明的具体实施做进一步的阐述。

如图1所示，本实施例提供一种采用PXI总线技术的高压泵性能测试台的硬件系统，包括被测泵，其特征在于：还包括基于PXI总线结构的控制主机、两块NI PXI-6238 M系列数据采集卡和一块NI PXI-6514 工业级IO卡；所述的基于PXI总线机结构的控制主机利用所述NI PXI-6238 M系列数据采集卡的AI通道采集被测泵的压力、温度、转矩、转速信号，利用所述NI PXI-6238 M系列数据采集卡的CTR计数器对被测泵流量脉冲信号进行采集，利用所述NI PXI-6238 M系列数据采集卡的AO通道对液压系统中的比例溢流阀、变频器、电动调节阀进行控制；所述的基于PXI总线结构的控制主机利用所述NI PXI-6514 工业级IO卡对被测泵的电机运行状态，过滤器堵，油箱低液位开关量信号进行采集，同时输出开关信号对各类阀、电机进行控制。

PXI（面向仪器系统的PCI扩展）是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。

本实施例的该硬件系统共需要5路模拟量输入，3路模拟量输出，3路脉冲输入，23路开关量输入，20路开关量输出。其主要包括基于PXI总线结构的控制主机、两块NI PXI-6238 M系列数据采集卡和一块NI PXI-6514 工业级IO卡；该基于PXI总线结构的控制主机包括供电机箱和控制器，该机箱采用NI PXI-1042Q安静型8槽通用交流供电PXI 3U机箱，控制器采用NI PXI-8106酷锐2双核2.16GHZ控制器。另外，本发明实施例中，还进一步包括一块NI PXI-6251 M系列数据采集卡，该数据采集卡包括2路16位模拟输出、16路模拟输入、24条数字I/O线和32位计数器，其可作为系统的拓展卡使用。

NI PXI-6238数据采集卡具有2路模拟输出（0mA到20mA），16位分辨率，采样率达500kS/s；8路模拟输入（±20mA）；2个计数器/定时器，32位分辨率，80MHz；数字触发；6路数字输入和4路数字输出，24V源极电压。本发明利用PXI-6238的AI通道采集系统压力、温度、转矩、转速信号，利用计数器对流量脉冲信号进行采集，利用AO通道对比例溢流阀、变频器、电动调节阀进行控制。

NI PXI-6514工业级IO卡，光学组隔离的32路漏/源输入（±30 VDC），光学组隔离的32路源输出（±30 VDC），单通道端口350 mA，所有通道均为75mA，看门狗，可编程的上电状态，变化检测，输入滤波器，高电流驱动，高可靠性的工业特性：工业24V逻辑阈值。利用PXI-6514对系统的电机运行状态，过滤器堵，油箱低液位等开关量信号进行采集，同时输出开关信号对各类阀、电机进行控制。

本发明的硬件系统主要任务包括模拟输出、模拟输入、脉冲输入、数字输出和数字输入，下面，我们对各硬件要完成的任务做简要说明。

模拟输出：该测试硬件系统模拟输出包括控制比例溢流阀来调节系统压力、控制变频器来调节电机转速、控制电动调节阀来调节被测泵进油口的真空度，信号都是电流型的，标准电流4～20mA。具体的：1）对比例溢流阀的控制，由于比例溢流阀电磁线圈的驱动电流比较大，而我们采集卡输出的都是标准电流，所以需要在溢流阀前连接个数字放大器。PXI6238-1的模拟输出端AO0的正负端子向数字放大器提供12～20mA的电流，通过内部电流放大后向比例溢流阀的线圈两端输送电流，通过调节PXI6238-1的输出电流，从而最终调节比例溢流阀的输出压力。2）对变频器的控制，由于变频器本身就可外接4～20m电流对其频率进行调节，这里直接由PXI6238-2的模拟输出端AO0的正负端子向变频器上输入4～20mA的电流，对应改变变频器的输出频率0～50HZ,从而实现对电机转速0～3000r/min范围内无级调速。3）对电动调节阀的控制，由于电动调节阀靠内置电机调节，电机所需电流比较大，所以也需要在其前面连接伺服放大器对其电流进行放大，同时也实现电机的正反转，保证调节阀能上下调节，输出4～20mA的电流对应调节阀的0～40mm行程，实现真空度的调节。

模拟输入：该测试硬件系统的模拟输入主要是对压力、温度、转速和转矩信号进行采集，从而实现虚拟仪器的实时显示。具体的：1）对被测泵输入压力的采集，该试验台对输入压力（负压）的采集采用了NS-K负压传感器，它将-100KP～100KP的压力转换为对应的4～20mA，该PXI6238-1的模拟输入端口AI0对该传感器的电流输出端进行采集。2）对被测泵输出压力的采集，该试验台对输出压力（正压）的采集采用了NS-1压力传感器，它将0～50MP的压力转换为对应的4～20mA，该PXI6238-1的模拟输入端口AI1对其电流输出进行采集。3）对试验温度的采集，该试验台采用的是SBWZ/R型现场显示式温度变送器。由于试验过程中需要对温度实时监控，并能高温报警显示，该温度变送器能将0-100℃转换为对应的4～20mA电流，PXI6238-1的模拟输入端口AI2串联在电路中对其电流进行采集。4）对转速、转矩的采集，该试验台采用的是JC转矩转速传感器，配合二次仪表JW-3扭矩仪实现。扭矩仪能将传感器发出的两路波形转换成4～20mA电流，对应扭矩0～1000N.m和转速0～3000r/min，并同时能现场直接显示。利用PXI6238-1的模拟输入端口AI3连接扭矩仪上模拟输出口和GND端对扭矩的4～20mA电流进行采集； PXI6238-1的模拟输入端口AI4连接扭矩仪上模拟输出口和GND端对转速的4～20mA电流进行采集。

脉冲输入：该测试硬件系统的脉冲输入是对三路流量的进行采集，实现虚拟仪表的同步显示。本实施例试验台选用的齿轮LC型流量计，该流量计分别为LC25流量计、LC40流量计和LC50流量计，它们具有机械仪表直接显示，当有液压油通过时，会带动内部齿轮旋转，外部表盘上指针对应旋转，同时该流量计还带有GF发信器，发出的脉冲的频率与流量的大小成正比。当流量接分别连接24V电源时，利用PXI6238-1的定时器和PXI6238-2的定时器分别对LC25流量计、LC40流量计和LC50流量计发出的脉冲的频率的进行采集。由于每个流量计的精度不一样，发出单个脉冲所代表的流量不一样，所以当流量一样的时候，三个流量计的发信器所发出的频率不一样。

数字输出：该测试硬件系统的数字输出主要是对电机、加热器、冷却器的启停，换向阀的切换进行控制，实现自动化的控制。从采集卡的数字输出端口输出高电平，从而使继电器对应的常开触点闭合，常闭触点断开，线圈得失电，从而控制电气件。

数字输入：测试硬件系统的数字输入主要是对电机运行状态，报警灯状态，过滤器状态等进行采集，从而虚拟布尔量灯可以同步显示，并让其他电器元件做出相应的动作。比如高温报警时，冷却器自动打开。从采集卡的数字输入端口对各个电机的运行状态、换向阀的工作位置、过滤器的是否堵塞的状态、液位的高低状态等一系列状态显示灯进行采集，能对其进行实时的监控。当显示灯处于亮的状态，数字输入端口会采集到高电平，触发虚拟灯亮，当显示灯处于灭的状态，数字输入端口会采集到低电平，触发虚拟灯熄灭。

下面我们对该硬件系统实现的功能进行简单说明：该基于PXI总线技术的高压泵性能测试硬件系统主要包括PXI总线结构的搭建和测试系统电路控制设计。通过二者的结合，主要实现以下功能：1.动力系统：电机的控制及其对其功率补偿；2.压力系统：压力的调节、控制与采集；3.调速系统：电机速度的调节、控制与采集；4.流量系统：流量计的选择与流量采集；5.温控系统：油液温度的采集，控制及报警；6.过滤系统：过滤电机的控制及堵塞报警；7.液位系统：漏收回收电机的控制及液位显示。

1.动力系统：电机的控制及其对其功率补偿

如附图1，该试验台采用200KW大功率电机，并对其进行功率补偿，减少能耗，电机能实现0～3000r/min无级调速，从而满足不同的被测泵，也满足泵在不同的转速下的试验，对泵进行较全面的性能检测。

（1）200KW主电机启停：按下电机启动按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常开触点时，使继电器得电并自锁，控制电路接通，使主电路中触点闭合，主电路接通，200kw电机启动，同时状态指示灯亮，表示电机在运行。当按下停止按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常闭触点时，控制电路断开，继电器失电，主电路中触点断开，电机停止运行，同时运行指示灯熄灭。

（2）主电机功率补偿：当按下功率补偿启动按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常开触点时，继电器得电并自锁，触点闭合，控制功率回收电磁阀得电，液压马达工作，开始功率回收，同时状态指示灯亮。当按下停止功率补偿按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常闭触点时，控制电路断开，继电器失电， 触点断开，控制功率回收电磁阀失电，液压马达停止工作，停止功率回收，同时状态指示灯灭。

2.压力系统：压力的调节、控制与采集

如附图1，为本试验台的系统压力可达40MP，由于系统压力较高，试验台加载部分采用直动溢流阀（20MPa和40MPa）和比例溢流阀（40MPa）相结合的方式进行手动分级调压和计算机自动无级加载；对系统压力的测试采用一次机械仪表直接显示和通过传感器向计算机测试系统输入信号的二次虚拟仪表显示，提高整个系统的自动化程度。

（1）加载与卸载控制：当按下加载按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常开触点时，继电器得电并自锁，触点闭合，加载电磁阀得电，后面才能对其加载，同时加载状态指示灯亮。当按下停止加载按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常闭触点时，控制电路断开，加载电磁阀失电，液压回路直接卸载，同时加载状态指示灯灭。三个溢流阀选择的切换是通过改变电磁换向阀工作位置来实现的：1）20MP直动溢流阀的选择，当按下选择该溢流阀的按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常开触点时，继电器得电并自锁，触点闭合，控制20MP直动溢流阀电磁阀得电，从而对液压回路进行20MP加载，同时该状态指示灯亮。此时保证控制40MP比例溢流阀的继电器处于断开状态，控制40MP比例溢流阀的换向阀不得电。40MP比例溢流阀的选择和40MP直动溢流阀的选择如上一样。

（2）无级调压：通过PXI6238的模拟输出端口输出12～20mA给数字放大器，电流经放大后通向比例溢流阀电磁铁线圈的两端。当输入电流不同时，电磁铁推力不同，从而改变阀芯所处位置，实现压力的调节。

（3）输出压力测试：1）有压力表直接测试，2）通过压力传感器讲压力转换为电流信号，NI采集卡6238对其电流信号进行采集，虚拟仪表显示与机械仪表同步显示，并加以比较。

3.调速系统：电机速度的调节、控制与采集

速度实现无级调节：如附图1，该试验台采用的是200KW高功率异步交流电机，其速度可在0～3000r/min范围内调节。试验电机的无级调速是通过变频器来控制的。

电机的调速分手动和自动调节，手动是通过变频器上的旋钮改变电压，对速度进行调节；自动是通过NI数据采集卡的模拟输出通道输入4～20mA的 电流，对应变频器0-50HZ的频率来无级调节速度，只需对泵的参数设置好，会自动调节到所需要的速度。

4.流量系统：流量计的选择与流量采集

该试验台对能流量在0～300L/min范围内进行测量，采用大，小流量计精确测试。

控制选择流量计的电磁换向阀的切换：（1）选择无流量计，当按下无流量计选择按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常开触点时，继电器得电并自锁，触点闭合，控制无流量计换向阀得电，同时其指示灯亮，表示油路是经过无流量计处。此时，继电器的常闭出点处于断开状态，从而保证另外两路有流量计的支路处于断开状态。选择40流量计和50流量计亦是如此。

流量测试：该试验台选用的齿轮LC型流量计，该流量计既有机械仪表直接显示，当有液压油通过时，会带动内部齿轮旋转，外部表盘上指针对应旋转。该流量计还带有GF发信器，发信的频率与流量的大小成正比。通过NI采集卡6238的计时器输入端子采集流量计的发信器所发出的频率，通过程序的计算转化为计算机上虚拟仪表的实时显示。由于采用的大、小两路流量计，可以根据实际流量的大小进行选择，大小流量计的测试精度，即发出的单个脉冲所代表的流量，这样可以保证不同情况下的精确和快速测量。

5.温控系统：油液温度的采集，控制及报警

如附图1，该试验台要实现在不同温度的条件下能的性能试验，有高温试验，低温试验等，所以在液压系统中我们采用了冷却器和加热器来控制试验温度。

加热器启停的控制：当按下加热器启动按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给接触器的常开触点时，接触器得电并自锁，其触点闭合，控制加热器的主电路接通，加热器开始加热，其指示灯亮；当按下停止加热器按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给接触器的常闭触点时，控制电路断开，接触器失电，触点断开，控制加热器的主电路断开，加热器停止加热，其指示灯灭。

冷却水电机启停控制：当按下启动冷却水电机按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给接触器的常开触点时，得电并自锁，其触点闭合，控制冷却器的主电路接通，冷却器开始工作，其指示灯亮；当按下停止按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给接触器的常闭触点时，控制电路断开，失电，触点断开，控控制冷却器的主电路接通，冷却器停止工作，其指示灯灭。

6.过滤系统：过滤电机的控制及堵塞报警

随着试验时间的增加，油液会受到一定的污染，为了对液压油能有一定的净化，该试验台有过滤温控系统。由小电机和齿轮泵作为动力将回到油箱的液压油经过二级过滤后送到被试泵的出口，过滤精度均不低于20um，保证进入被试泵的液压油清洁度较高。

过滤电机启停控制：当启动过滤电机按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给接触器的常开触点时，得电并自锁，其触点闭合，控制过滤电机的主电路接通，过滤系统开始开始工作，其指示灯亮；当按下停止按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给接触器的常闭触点时，控制电路断开，失电，其触点断开，控制过滤电机的主电路断开，过滤系统停止工作，其指示灯灭。

过滤器堵塞报警：当过滤器的滤膜上的油液颗粒度等级较低时，液压油通过过滤器的压力会增加，当超过0.3MP时，带24V电压过滤器的发信器会发出型号，使得内部触点闭合，电路接通，从而是报警灯亮。同时PXI6514的数字输入端口对报警灯亮这一高平信号进行采集，使得虚拟灯同时显示报警。当油液清洁度较好时，不足产生0.3MP的压力时，过滤器的发信器不会发出信号，报警灯不显示。该试验台设置了7处过滤器，对液压油的最高精度可检测到1.6um，报警连接电路属并联。 

7.液位系统：漏收回收电机的控制及液位显示

在液压系统中，总会有一定的泄漏油，为了对这些泄漏油进行回收再利用，减少能源的损失。该试验台设置了漏油回收系统。对泄露油进行收集让其流入漏油回收的油箱，当液压油收集到一定程度后，再将其有回收泵输送到主油箱中，进行过滤再利用。

漏油回收电机启停：它又两种控制方式，一种是人为控制，一种是液位继电器的自动切换。人为控制的原理如主电机的启停一样，当按下启动回收电机按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常开触点时，接触器得电并自锁，控制电路接通，使主电路中触点闭合，主电路接通，漏油回收电机启动，同时其指示灯亮；当按下停止按钮或PXI6514的数字输出端输出高电平给继电器的常闭触点时，控制电路断开，失电使主电路中触点断开，电机停止运行，同时其指示灯灭。液位继电器的自动切换，在漏油回收油箱中安装有两个液位继电器，一个是在液位低处的常闭触点，一个是液位高处的常开触点。当随着回收的油箱收集的油液越来越多时，到达液位高的继电器时，它的常开触点闭合，液位指示灯亮，继电器线圈得电，使其得电并自锁，使主电路中触点闭合，主电路接通，漏油回收电机启动，开始向主油箱回收抽油。当油液越来越少时，到达液位低处的继电器时，它的常闭触点断开，线圈失电，漏油回收电机的控制电路断开，主电路中触点断开，电机停止运行。

主油箱液位显示：本系统采用YKJD型液位控制继电器对主油箱液位进行监测和控制，它是一种新型液面高度电发讯控制装置，工作时浮子随液面升高或降低，当液面将浮子升上或降到发讯位置时，继电器动作常闭触点闭合，常开触点断开或常闭触点断开，常开触点闭合，以实现自动停机或报警有两个液位继电器控制。当油液到达高位时，液位继电器常开触点闭合，液位高指示灯亮，当油液处于低位时，液位继电器常闭触点闭合，液位低指示灯亮。同时PXI6514的数字输入口对其灯的状态进行采集，实现虚拟等的同步显示。

基于PXI总线结构的液压泵性能测试系统是综合运用传统液压技术、计算机技术、虚拟仪器技术、测试技术研制开发的一种综合试验检测装置。PXI（面向仪器系统的PCI扩展）是一种由NI公司发布的坚固的基于PC的测量和自动化平台。PXI结合了PCI的电气总线特性与CompactPCI的坚固性、模块化及Eurocard机械封装的特性发展成适合于试验、测量与数据采集场合应用的机械、电气和软件规范。PXI扩展性很好，最多可以扩展到255个机箱和上千个模块，而且结构可靠，在抗振动、抗冲击、电磁兼容、便携性等方面的性能都不错。同时，PXI总线结构可以完美的结合虚拟仪器，减少硬件投入，改善实验环境，提高测试精度。所以基于PXI总线结构开发的液压泵计算机辅助测试系统正成为当今工程应用、科研开发的热点，代表了未来液压泵CAT的发展趋势^.。

综上，研制出一套基于PXI总线结构的虚拟仪器技术的先进，控制方便，试验全面的中高压液压泵试验台的测控系统，为泵的出厂检查，性能分析提供了一流的平台，具有较大的使用价值和推广价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。