300kN压力试验机控制及测量系统研究

    一、引言
  300kN压力试验机主要用于水泥胶砂抗压强度的测量，是水泥生产企业和建工建材质量技术监督检测部门的计量设备。在水泥胶砂抗压强度试验中，加荷速率是影响测量结果准确与否的主要因素。新颁布的水泥抗压强度试验标准( GB/T17671 - 1999)和电液式水泥压力试验机技术条件(JB/T8763 - 1998)明确规定，试验机必须具备恒速率加荷功能，加荷速率控制在(2.4±0.2)kN/s范围内。针对我国压力试验机行业的具体特点和新标准的规定，我们研制了微机控制300kN压力试验机控制及测量系统，不仅适用于新型压力试验机的生产，还适用于老式压力试验机的改造。
    二、液压系统设计
    压力试验机是一种典型的机电液一体化产品，电液控制及测量系统是压力试验机的核心，对整机性能起着关键作用。系统的液压原理如图l所示。系统采用单作用式液压缸，溢流阀起过载保护作用。数字式微小流量阀由一只节流阀和一只等差减压阀组成，作为系统的控制元件，通过调节阀的输出流量来控制系统压力，该阀利用步进电机为电——机械转换元件，直接采用数字方式控制。微小流量阀工作原理如图2所示。考虑到径向力平衡关系，设计中采用了对称开口结构，在阀苍上开有一对与油泵相通的P口和一对与油箱相通的T口，在阀套上开有一对与油缸相通的三角形A口。当步进电机从零位顺时针进给时，P-A导通，系统加载；当步进电机从零位逆时针进给时，A-T导通，油缸卸载，泵出口流量通过等差减压阀回油箱。
    三、测控系统构成
    恒加荷压力试验机控制系统原理如图3所示。液压缸负载腔的压力（或试块承受的压力）信号通过压力传感器（或力传感器）转化为电信号，放大后由A/D转换为数字信号并通过RS232送人计算机，经过PID控制器运算后得到阀的开口过流面积增量，并将该值通过RS232送到控制器控制步进电机驱动器驱动步进电机，带动阀芯改变阀的开口过流面积，通过调节阀的输出流量，控制试验机按给定的速率均匀加荷，实现系统闭环控制。
2．抗压强度测量
在闭环恒加荷控制中，系统采用梯度法实时对试块进行破型判断，试块破型后系统自动卸荷，并按标准要求自动计算测量数据，保存测量结果。
    3．精度标定及检测
    传感器通过标准测力仪来标定，拟合的方法，在全量程的任何一点上，使传感器的输出和“标准测力仪”的输出相吻合，并使其误差控制在国标规定的范围内，这部分工作在软件中完成，采用的方法是一般的插值法。标定数据以文件形式保存，用插值法建立传感器输出信号和试验机输出力的映射关系，保证试验机的测试精度。
    试验机检测模块用于计量部门检测试验机精度，它改变了传统的检测方法，检测时试验机以0.3kN/s匀速加荷，通过人机交换方式检测设定点的精度，设定点可以任意选择。
    4．数据管理
    试验结果保存在数据库中，软件设计了多种查询方式和报表打印功能，为了保证数据真实性，消除人为影响，数据库加装了密码锁，用户无法修改数据。软件还设计了网络功能，可远程发送数据。
    系统软件采用VC++6.0编写，人机界面友好，操作简洁、方便。
    五、系统性能特点
    1．利用现代控制和测量技术，提高了压力试验机控制和测量精度，试验结果由计算机保存，消除了人为因素的影响。
    2．系统为负载适应型液压系统，具有节能、抗污染能力强、成本低等特点。
    3．采用数字式微小流量阀，能够从零工作压力开始加载。该阀利用步进电机驱动，采用步进电机细分控制技术，实现了数字方式控制，抗干扰能力强，无滞环，提高了控制精度。
    4．利用该系统进行传统压力试验机的改造，可实现手动／自动两种功能，增加了系统的容错性，提高了系统的可靠性。
    六、试验结果
    试验按照GB/T17671 - 1999要求进行，加荷速率v= 2.4kN/s，要求速率误差<±0.2kN/s，载荷输出精度< ±1%验工作台架为无锡建材仪器机械厂生产的NYL---300型压力试验机，泵额定压力P= 31.5MPa，额定流量Q=1.25L/min。  

  七、结论
  微机控制300kN恒加荷压力试验机控制及测量系统具有结构简单、控制性能好、测量精度高、可靠性好、抗污染能力强等特点，其性能指标满足国家标准的要求，到目前为止，已有1500多套该产品在全国各地使用，取得了良好的经济效益和社会效益。()