車用空調制冷壓縮機性能測試軟件的研制

曹義新

（1.合肥通用機械研究院，安徽 合肥 230031；2.合肥通用環(huán)境控制技術有限責任公司，安徽 合肥 230088）

1 引 言

隨著國際國內市場對車用空調制冷壓縮機性能數據公證性的要求越來越高，相關行業(yè)廠家及一些第三方機構越來越重視產品的性能測試，陸續(xù)籌劃設計建造或改造符合GB/T 21360-2008標準[1]的車用空調制冷壓縮機性能測試裝置以滿足市場需求。同時，為了給車用空調制冷壓縮機相關研究領域中的一些關鍵技術攻關課題，例如制冷劑替換課題等，提供原始試驗數據資料，建設產品的性能測試裝置具有其必要性。

車用空調制冷壓縮機性能測試軟件在性能試驗中是提供過程監(jiān)控、在線數據處理、試驗報告編制及離線試驗數據再分析的重要支撐部件，其軟件的編制具有一定的復雜性，它肩負著對各路信號進行采集及對數據進行分析處理的重任，同時還要準確可靠地控制相關試驗設備，保證整個試驗在預期設定的工況下可靠地進行。

這里僅從性能測試軟件的角度出發(fā)，從介紹性能試驗方法開始，詳細闡述與典型的車用空調制冷壓縮機性能測試裝置相配套的性能測試軟件。該軟件采用模塊化和面向對象的技術，同時兼顧人性化的要求，更加便于功能的擴充和系統(tǒng)的維護，并且通過對算法的優(yōu)化使其達到很高的運算速度[2-3]，經過長時間使用驗證，運行安全可靠。

2 性能試驗方法介紹

車用空調制冷壓縮機性能試驗裝置一般來說主要分為動力系統(tǒng)、制冷循環(huán)系統(tǒng)、電氣測控系統(tǒng)、數據采集硬件系統(tǒng)及性能測試軟件（在工控計算機上運行）等幾部分，其關系圖如圖1所示。

按照相關標準[1，4-5]，性能試驗應包括兩種試驗方法，即X法和Y法，兩種方法應同時進行測量。X法和Y法試驗結果之間的偏差應在±4%以內，并以X法和Y法測量計算結果的平均值為準。常用的試驗方法主要有以下4種：第二制冷劑量熱器法，編號為A；制冷劑液體流量計法，編號為F；吸氣管制冷劑氣體流量計法，編號為D1；制冷劑氣體冷卻法，編號為J。試驗方法A、F、D1、J中任何一種均可作為X法使用，除以下3點不允許外，任何一種試驗方法也可作為Y法使用：（1）被作為X法的試驗方法；（2）測量的量與X法相同的任何一種方法；（3）測量方法與X法相同原理的任一種方法。針對以上4種試驗方法中X法和Y法的常見組合方式詳見表1。

圖1 車用空調制冷壓縮機性能試驗裝置的組成關系圖

表1 X法和Y法的常見組合方式列表

3 性能測試裝置的試驗原理及相關參數

典型的車用空調制冷壓縮機性能測試裝置采用的 X 法和 Y 法的組合方式是 A-F（或 F-A）[4，6]，即第二制冷劑量熱器法和制冷劑液體流量計法。

3.1 試驗方法A

第二制冷劑量熱器（如圖2所示）由一組直接蒸發(fā)盤管作蒸發(fā)器，該蒸發(fā)器被懸置在一個隔熱壓力容器的上部，電加熱器安裝在容器底部并被容器中的第二制冷劑浸沒。系統(tǒng)制冷劑流量由靠近量熱器安裝的膨脹閥調節(jié)。為了減少外界熱量的影響，膨脹閥和量熱器之間的管道、量熱器以及量熱器與壓縮機吸氣口之間的管道均需隔熱。標準規(guī)定量熱器的漏熱量應不超過被試壓縮機制冷量的5%。試驗前應對量熱器的漏熱量進行標定，計算出漏熱系數。

3.1.1 第二制冷劑量熱器法的測量參數

由性能測試軟件采集的第二制冷劑量熱器法的測量參數包括：（1）膨脹閥前的制冷劑液體壓力、溫度；（2）量熱器出口制冷劑氣體壓力、溫度；（3）第二制冷劑壓力；（4）量熱器環(huán)境溫度；（5）輸入量熱器的電加熱量。

3.1.2 第二制冷劑量熱器法的計算參數

圖2 典型的車用空調制冷壓縮機性能測試裝置的原理圖

由性能測試軟件實時計算得到的第二制冷劑量熱器法的計算參數包括：（1）量熱器法制冷劑體積、質量流量；（2）規(guī)定工況下的量熱器法制冷量。

3.2 試驗方法F

制冷劑液體流量計為測定制冷循環(huán)中的制冷劑液體流量，一般常用E＋H的科氏質量流量計。為防止制冷劑在流量計中汽化，在其前面安裝一個制冷劑過冷器。在此，制冷劑由冷卻水過冷。進入流量計的制冷劑溫度應至少比流量計出口壓力對應的飽和溫度過冷3℃。流量計安裝在過冷器與膨脹閥之間的液體管道上，如圖2所示。為觀察制冷劑液體中是否含有氣泡，一般在緊接流量計后面安裝視液鏡。

3.2.1 制冷劑液體流量計法的測量參數

由性能測試軟件采集的制冷劑液體流量計法的測量參數包括：（1）質量流量計所測的制冷劑質量流量、制冷劑密度；（2）過冷器進口的制冷劑液體溫度；（3）質量流量計進口的制冷劑液體溫度；（4）質量流量計出口壓力；（5）壓縮機制冷劑的吸氣溫度、壓力；（6）壓縮機制冷劑的排氣溫度、壓力。

3.2.2 制冷劑液體流量計法的計算參數

由性能測試軟件實時計算得到的制冷劑液體流量計法的計算參數包括：（1）流量計法制冷劑體積流量；（2）質量流量計出口壓力對應的制冷劑飽和溫度；（3）規(guī)定工況下的流量計法制冷量（考慮含油量的影響）。

在采用上述測試裝置做性能試驗時，壓縮機的制冷劑常選用R134a，第二制冷劑常選用R123。對于性能測試軟件而言，除了上述的測量參數外，還應包括壓縮機殼體溫度、壓縮機回油溫度、壓縮機環(huán)境溫度、壓縮機轉速、電機扭矩、電機轉速、冷卻塔恒溫水箱溫度等；除了上述的實時計算參數外，還應包括壓縮機吸氣比容、焓、熵，輸入功率，壓縮機質量流量（平均），壓縮機制冷量（平均），主輔偏差，制冷系數，等熵效率等[1，4，7]。

圖3 與性能測試軟件通信的常用硬件配置儀表拓撲結構

4 性能測試軟件通信數據采集硬件系統(tǒng)

在典型的車用空調制冷壓縮機性能測試裝置中，與性能測試軟件通信的硬件如圖3所示，主要由工控計算機、數據采集器、PLC控制器、PID調節(jié)表組等儀器儀表組成。其中數據采集器接入溫度、壓力、轉速、扭矩、功率等傳感器信號，性能測試軟件與PLC控制器通信可以控制相關設備的啟停，與PID調節(jié)表通信可以閉環(huán)控制相關的執(zhí)行器件。

5 性能測試軟件的介紹

軟件采用面向對象的可視化開發(fā)平臺C++Builder6.0和開放的ACCESS數據庫作為開發(fā)工具，并糅合Windows API開發(fā)而成的32位標準Windows軟件。因為軟件需要在同一時間同步進行數據采集、數據分析、儀表控制等工作，所以它必定是多線程的，只有這樣才能保證各功能模塊執(zhí)行的并發(fā)性和持續(xù)性。

軟件的主要功能模塊包括：PID調節(jié)表組控制模塊（如圖4），實時數據監(jiān)控和曲線顯示模塊（如圖5），性能報告及曲線打印模塊（如圖6），歷史數據和報告曲線分析模塊，管理模塊，常用工具模塊等，并且還有可在線閱讀的操作手冊。

6 性能測試軟件的分析

軟件為完全綠色軟件安裝，拷貝至硬盤即可運行。軟件能自動判斷硬件配置，當配置有問題或采集系統(tǒng)沒有連接時，軟件仍然能夠以演示版運行。

6.1 性能測試軟件的自動化特點

軟件在進入具體試驗設置工況時能夠由蒸發(fā)溫度、過熱度、冷凝溫度的設定值自動換算成壓縮機吸氣溫度、壓力及排氣壓力的設定值及允差值。自由選擇試驗資源，自動設置各種試驗工況參數并傳送至PID調節(jié)表，由PID調節(jié)表自動完成試驗工況各個參數的調節(jié)，通過PLC控制器自動啟停相關設備，在試驗過程中也可以實時調節(jié)控制。全過程的數據記錄方式：一旦開始運行采集過程，系統(tǒng)會按照可設置的時間間隔記錄每個測點數據和計算結果，且每個數據皆有時間標簽；可自動或手動保存規(guī)定時間內的某組工況數據，自動判穩(wěn)，自動計算結果并存檔，自動提示打印或保存試驗報告和曲線。

6.2 性能測試軟件的人性化、智能化特點

所有采集通道的配置皆采用虛擬地址方式，可在軟件中自由分配測點通道，用戶可以根據測量需要快速靈活地配置采集器通道及傳感器測量參數范圍及名稱。從操作人員的角度考慮，要求軟件能夠自動“記住”上一次試驗操作時的所有資源設置，在進入下一次試驗過程中無需再配置相關資源，默認點擊自動進入試驗狀態(tài)。若需修改相關資源即可在試驗進入過程中修改，也可在試驗進行中在線修改。支持非自動采集（人工測量）參數鍵盤輸入功能，做到測量參數輸入方法的多樣性。軟件根據國家標準統(tǒng)一了試驗報告的格式（如圖6所示），但對于廠家有特殊需要的，如中英文報告輸出時，也能很靈活地實現。

6.3 性能測試軟件的零漂補償功能

可以根據標定結果通過軟件進行傳感器零漂補償功能、線性或者多點修正。線性修正對于線性度較好的傳感器修正效果較好，對于線性度差的傳感器應該采用多點修正的方法。目前軟件中采用6點回歸曲線擬合的計算方法進行修正，其采用的6個基準點要求采用非遞減的軟件輸入序列且覆蓋實際測量范圍，實際應用效果良好。

6.4 性能測試軟件的濾波功能

軟件采用多點求平均值的算法進行軟件濾波，可以針對每一個傳感器測點是否需要軟件濾波、采用幾點濾波進行選擇設置，方便靈活，避免因傳感器測點本身不穩(wěn)定的因素造成較大穩(wěn)態(tài)波動，效果良好。

6.5 性能測試軟件的虛擬再現及再分析功能

軟件不僅僅是出一份公正的試驗報告，其全過程的試驗數據是一筆不可多得的寶貴財富，利用軟件可以事后虛擬再現整個測試過程，對發(fā)現分析解決試驗過程中存在的問題提供了第一手資料。另外，測試軟件可以對全過程的試驗數據進行離線的二次分析，得出所需的各種圖表，甚至可以按操作人員的事后要求客觀地重新生成試驗報告和曲線，實現了由單純的數據采集到數據采集與分析的跨越。

6.6 性能測試軟件的網絡化功能

軟件實現了數據界面和曲線界面的網絡監(jiān)測，即通過局域網在任何一臺計算機上察看實時數據和曲線情況，并且在輸出試驗報告的同時可以在指定的計算機上備份試驗報告。

總的來說，性能測試軟件比較全面準確地體現了被試壓縮機各項性能指標參數。

7 性能測試軟件中存在的不足與改進探索

雖然性能測試軟件實現了預定功能，但仍存在不足之處，主要體現在以下4個方面。

7.1 性能測試軟件的數據庫優(yōu)化及加強網絡功能的考慮

軟件目前采用ACCESS創(chuàng)建數據庫，但若進一步加強網絡功能，其不足的地方就顯現出來了，這里采用開源的輕型的MYSQL網絡數據庫作為改進數據庫。有了MYSQL數據庫作為后臺數據源，軟件的網絡化進程就可以大大加快，不僅能更優(yōu)秀地實現上述的網絡化功能，還能添加新的網絡化功能，例如無線網絡傳輸數據不堵塞，以B/S的結構建立web服務，甚至開發(fā)基于Internet的多媒體遠程監(jiān)控功能等。目前此項工作正在論證中。

7.2 性能測試軟件的安全性考慮

目前軟件既能以一般操作人員身份登陸操作界面，也能以管理員的身份登陸管理界面，應用方便靈活，因此帶來安全性上的隱患。為了防止真實的試驗數據及報告曲線被篡改，保證其客觀公正性，相關的論證算法正在討論之中。

7.3 性能測試軟件的工質熱物性數據庫的自主創(chuàng)建

軟件對于制冷劑工質熱物性數據的查詢調用是必要的和頻繁的。由于涉及到知識產權問題，采用根據權威計算方法產生等間隔的梯度數據，再用ACCESS創(chuàng)建數據庫，軟件運行時一開始就在內存中創(chuàng)建這幾個表，便于采用二分查找法快速查表來查詢調用[8]。至于精度問題，只要等間隔步長取得足夠小，精度就可以得到保證，目前驗證工作正在開展。

7.4 性能測試軟件的可擴展性考慮

軟件實現表1中所有試驗方法組合的研發(fā)工作也有必要同步開展；另外，有些廠家從工作效率和節(jié)省能源的角度出發(fā)，希望一套軟件能同時做兩個試驗裝置相同或不同的試驗方法組合的試驗，甚至是幾套測試軟件之間要通訊協調。在相似的空調性能測試軟件上這些功能已經實現[9-10]，目前準備把類似功能運用到車用空調制冷壓縮機性能測試軟件上來。

上述的4個方面是今后性能測試軟件研發(fā)工作的重點。

8 性能測試軟件的應用與展望

性能測試軟件由于采用了面向對象和模塊化等先進的軟件設計理念，軟件維護起來非常方便。增加一些新的功能在原有測試軟件基礎上只需改動很少的代碼，開發(fā)周期大大縮短。

目前與典型的車用空調制冷壓縮機性能測試裝置相配套的性能測試軟件已在安徽合肥某機電科技股份有限公司、安徽蚌埠某機電技術有限公司等幾十家企業(yè)和機構中得到應用，應用結果證明軟件穩(wěn)定可靠，功能基本滿足各種需求，獲得用戶一致好評，具有良好的應用市場和前景。

9 結束語

隨著GB/T 21360-2008等相關標準的頒布實施，車用空調制冷壓縮機性能測試裝置的推廣勢在必行，其配套的性能測試軟件也有很大的發(fā)展空間。隨著性能測試軟件的不斷完善，車用空調制冷壓縮機性能測試裝置的配套軟件將會在相關行業(yè)和機構中得到進一步的推廣。

[1]GB/T 21360-2008，汽車空調用制冷壓縮機[S].北京：中國標準出版社，2008.

[2]曹義新.ARI540標準性能數據表示方法的研究與軟件實現[J].制冷空調與電力機械，2009，30（1）：24-28.

[3]ARI Standard 540-2004，Performance rating of positive displacement refrigerant compressors and compressor units[S].

[4]GB/T 5773-2004，容積式制冷劑壓縮機性能試驗方法[S].北京：中國標準出版社，2004.

[5]ISO 917-1989，Testing of refrigerant compressors[S].

[6]周洪林.制冷壓縮機性能測控系統(tǒng)設計與軟件開發(fā)[J].流體機械，1999，27（5）：49-51.

[7]郁永章．容積式壓縮機技術手冊[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[8]王溢芳.制冷工質熱力性質的通用計算方法——數據庫法[J].流體機械，1999，27（7）：59-61.

[9]舒國安.網絡化的空調性能測試裝置 [J].制冷與空調，2007，7（2）：100-102.

[10]王 雷.制冷空調產品性能測試軟件的研究 [J].制冷與空調，2007，7（3）：40-43.