活塞壓縮機(jī)性能虛擬測(cè)試系統(tǒng)的研制

樊瑞筱，叢 蕊，付觀木，張 弛，朱永嘉

（東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318）

在傳統(tǒng)的容積式壓縮機(jī)性能測(cè)試中，采用常規(guī)指示儀表和測(cè)試設(shè)備，由人工調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的參數(shù)，達(dá)到容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的各項(xiàng)指標(biāo)值后，進(jìn)行壓縮機(jī)十多個(gè)參數(shù)的人工觀測(cè)抄錄，再按國(guó)標(biāo)GB/T-3853《容積式壓縮機(jī)驗(yàn)收試驗(yàn)》要求進(jìn)行查表計(jì)算等數(shù)據(jù)處理[1]，最后得到壓縮機(jī)的性能參數(shù)。此方法耗時(shí)較長(zhǎng)，測(cè)試效率低。為了改善測(cè)試手段，提高測(cè)試效率和精度，發(fā)展基于計(jì)算機(jī)的壓縮機(jī)性能自動(dòng)測(cè)試技術(shù)成為必然。

虛擬儀器，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板，測(cè)試功能由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)[2]。虛擬儀器大大突破傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)處理、顯示、傳送、存儲(chǔ)等方面的限制，使用戶可以方便地對(duì)其進(jìn)行維護(hù)、擴(kuò)展和升級(jí)等，是全新概念的新一代測(cè)量?jī)x器，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)重要方向[3]。

依據(jù)國(guó)標(biāo)要求結(jié)合活塞壓縮機(jī)的工作特點(diǎn)，采用串口通信將采集到的參數(shù)傳送至上位機(jī)，通過上位機(jī)中虛擬儀器設(shè)計(jì)的活塞壓縮機(jī)性能虛擬測(cè)試系統(tǒng)，自動(dòng)實(shí)現(xiàn)活塞壓縮機(jī)性能的測(cè)試。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

壓縮機(jī)測(cè)試參數(shù)主要包括溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、濕度、電壓、電流、功率、扭矩等。按照國(guó)標(biāo)中給出的測(cè)試方法，在壓縮機(jī)的特定部位安裝相應(yīng)的傳感器，傳感器采集的信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理卡處理（信號(hào)隔離、濾波、放大及多路復(fù)用等）后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)[4]，該信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸入計(jì)算機(jī)，再利用Lab-VIEW軟件結(jié)合Matlab實(shí)現(xiàn)各測(cè)試參數(shù)的計(jì)算分析。

壓縮機(jī)測(cè)試系統(tǒng)硬件采用PCI總線方案，測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活塞壓縮機(jī)性能測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)前面板如圖2所示。

圖2 活塞壓縮機(jī)性能虛擬測(cè)試系統(tǒng)前面板

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器的選取

選用Pt100傳感器測(cè)量壓縮機(jī)吸入氣體和排出氣體的溫度，量程為-10～250℃，精度為±0.2℃。緩變的壓力信號(hào)采用壓力變送器采集。

緩沖罐閥前排氣壓力和大氣壓的測(cè)量采用ADS-805型壓力變送器測(cè)量，量程0～250 MPa、-100～0 kPa，工作補(bǔ)償溫度-10～70℃，綜合精度±0.1%。

噴嘴處排氣壓力采用ADS-809型壓力變送器測(cè)量，量程為 0～400 kPa、0.06～100 kPa，補(bǔ)償溫度 –10～70℃，綜合精度為0.5%，屬于差壓型測(cè)壓方式。

氣缸內(nèi)快速變化的壓力信號(hào)，采用壓電壓力傳感器采集，量程為0～1.0 MPa，傳感器響應(yīng)頻率為10 kHz以上。

流量測(cè)量采用國(guó)標(biāo)GB15487-1995中規(guī)定的ASME噴嘴測(cè)量法測(cè)量，依此計(jì)算出壓縮機(jī)排氣量。

轉(zhuǎn)速測(cè)量采用CZF型位移傳感器，其工作原理是基于高頻磁場(chǎng)在金屬表面的“渦流效應(yīng)”，線性誤差為0.5%～3.5%，分辨率為0.05%（靜態(tài)）、0.1%（動(dòng)態(tài)），頻率響應(yīng)為0～10 kHz。

2.2 信號(hào)調(diào)理和數(shù)據(jù)采集卡

選用凌華PCI 9812數(shù)據(jù)采集卡，該采集卡是4通道10位20 MS/s同步采樣模擬輸入卡，高速模擬輸入通道為單端，硬件可編程輸入范圍為±1 V、±5 V，板載32 k采樣點(diǎn)A/D FIFO緩存數(shù)據(jù)，除了40 MHz時(shí)鐘，用戶還可通過正弦波或數(shù)字形式來提供外部時(shí)鐘，觸發(fā)模式包括軟件觸發(fā)、預(yù)觸發(fā)、后觸發(fā)、中間觸發(fā)及延時(shí)觸發(fā)。根據(jù)信號(hào)輸出類型和要求的采樣頻率，采用適當(dāng)?shù)牟杉K和調(diào)理模塊完成數(shù)據(jù)采集[5]。

本次測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)調(diào)理部分，采用自制參數(shù)測(cè)試儀。測(cè)試儀的主要功能，包括供電和信號(hào)調(diào)理作用。

傳感器所得信號(hào)輸入?yún)?shù)測(cè)試儀，經(jīng)過電橋的變換，將電阻信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過放大器放大后，進(jìn)行阻抗變換，濾去交流成分和噪聲信號(hào)，接入數(shù)字表進(jìn)行數(shù)字顯示，同時(shí)進(jìn)行幅值調(diào)整后，送入數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后送給PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集處理和后處理。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用軟件主要包括Lab VIEW 8.6版本、DAQ 8.0軟件、Microsoft Office軟件和Matlab軟件。

Lab VIEW主要用于數(shù)據(jù)采集、測(cè)試測(cè)量和數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)易分析；

Microsoft Office軟件用于狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)報(bào)表的生成、打印等，DAQ 8.0軟件主要管理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的采集卡硬件；

Matlab軟件主要用于對(duì)后續(xù)數(shù)據(jù)的復(fù)雜分析。

由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用模塊化和子VI調(diào)用方式進(jìn)行，因此可迅速和方便對(duì)軟件進(jìn)行修正和擴(kuò)展，便于現(xiàn)場(chǎng)使用。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)操作簡(jiǎn)單、界面友好的活塞壓縮機(jī)虛擬測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應(yīng)用了傳感器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集和Lab VIEW圖形化編程軟件開發(fā)等多種技術(shù)。

本文設(shè)計(jì)的虛擬測(cè)試系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)和Lab VIEW軟件在數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析與處理中的強(qiáng)大功能，可以廣泛用于測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，完成對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)采集與處理。

[1]全國(guó)壓縮機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).中國(guó)機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)匯編·壓縮機(jī)卷[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.

[2]趙 闖.基于虛擬儀器的傳感器數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)[J].振動(dòng)與沖擊，2009，（1）：48-49.

[3]牛群峰，王莉等.壓縮機(jī)性能測(cè)試與參數(shù)計(jì)算的虛擬儀器實(shí)現(xiàn)[J].電子測(cè)量技術(shù)，2008，31(7)：80-82.

[4]姜良銀，李明等.基于LabVIEW的地鐵空壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011，（4）：60-62.

[5]謝 冰，陳昌鑫，等.基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(14)：174-177.