燃燒室點火試驗中的數(shù)據(jù)采集和視頻監(jiān)控技術應用

摘? 要：為了研究發(fā)動機在高原低壓和高空低溫低壓的特殊情況下的點火啟動性能，需有效采集試驗中的點火狀態(tài)和各項數(shù)據(jù)，并進行火焰觀測。本文對燃燒室點火試驗中的數(shù)據(jù)采集技術應用進行分析研究，并首次采用了視頻監(jiān)控進行火焰觀測。應用結果表明，其能夠有效滿足航空發(fā)動機的研制和試驗需求。

關鍵詞：燃燒室;測試系統(tǒng);數(shù)據(jù)采集;火焰觀測

中圖分類號：TP277;TP274? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）24-0005-04

Abstract：In order to research that the engine can successfully ignite and start in special cases of low pressure in plateau or low temperature and pressure at high altitude. It requires to collect ignition condition and data in the experiment effectively，and to observe flame. In this paper，the data collection technology used in the combustion fire examination was analyzed. This is the first time to study the flame observation by using video surveillance. The results indicated that，they could meet the demands of engine study and experiment.

Keywords：combustion;test system;data collection;flame observation

0? 引? 言

依據(jù)某些型號要求，發(fā)動機需要在高原低壓和高空低溫低壓的惡劣環(huán)境中進行點火啟動，高空點火試驗臺的建設就是為了滿足其試驗需求設計的。采用扇形段或全環(huán)試驗件的模擬試驗器，按發(fā)動機空中風車狀態(tài)下的燃燒室進口壓力、溫度和流量進行試驗，來確定燃燒室空中再點火邊界或點火能量、火花頻率和點火電嘴的最佳位置以及發(fā)動機啟動的最佳供油規(guī)律。

燃燒室點火試驗中的測試系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和視頻監(jiān)控。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計可以滿足點火試驗的需求，通過顯示點火試驗過程狀態(tài)參數(shù)，采集相關試驗數(shù)據(jù)，同時首次采用視頻監(jiān)控進行火焰觀測，本文著重研究數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和視頻監(jiān)控相結合的測試系統(tǒng)技術在燃燒室點火試驗中的應用情況。

1? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案介紹

1.1? 測試系統(tǒng)總體結構

燃燒室高空點火試驗的測試系統(tǒng)方案基于局域網(wǎng)架構，將工業(yè)以太網(wǎng)測試設備（氣體壓力等測量模塊）以及VXI總線測試設備（包括溫度、頻率信號的數(shù)據(jù)采集等）進行系統(tǒng)集成，測試系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

如圖1所示，整個系統(tǒng)包括3臺計算機和網(wǎng)絡DSA模塊、視頻信號采集模塊。信號來源包括壓力與流量測量模塊、溫度測量模塊等，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件的管理下，實現(xiàn)燃燒室高空點火試驗數(shù)據(jù)采集、狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)保存、視頻保存等功能[1]。

1.2? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)方案

1.2.1? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件

由圖1可以看出，測試系統(tǒng)是以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和采集計算機為中心，以網(wǎng)絡和串口為通訊接口構成的綜合測試系統(tǒng)[2]。不同類型的信號分別輸入到以下兩個結構單元進行采集和處理：

（1）VXI數(shù)據(jù)采集模塊。包括溫度、位移機構信號、差壓信號、流量等測試信號采集，再連接到計算機進行存儲、分析顯示。依據(jù)各模塊的不同信號輸入類型，分別選用了E8491B零槽控制器、VT1413C A/D轉(zhuǎn)換模塊及相應的SCP模塊，如VT1509A、VT1503A等SCP功能模塊[3]。

（2）基于以太網(wǎng)的測量模塊。主要包括DSA氣壓模塊對氣壓參數(shù)進行采集以及實時監(jiān)控時的視頻信號采集，然后通過網(wǎng)絡連接發(fā)送到采集計算機存儲和分析顯示。氣壓模塊采用美國Scani-Valve公司的DSA3217模塊，基于以太網(wǎng)的形式，通過TCP/IP或UDP協(xié)議進行通訊。用于實時監(jiān)控的視頻信號，通過硬盤刻錄機與網(wǎng)絡交換機連接，實時監(jiān)控的視頻通過局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C進行存儲。

1.2.2? 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件

整個數(shù)據(jù)采集軟件系統(tǒng)采用模塊化、結構化的設計方法，分為上位機軟件和下位機軟件兩部分。軟件平臺采用的是目前車臺使用比較成熟的VB6.0作為開發(fā)平臺，Windows 2000/XP作為操作系統(tǒng)平臺，數(shù)據(jù)庫采用Office 2003或2007的Excel和Access，結合使用美國NI公司Measurement Studio的相關控件和類庫來進行虛擬儀器功能的設計，采用多線程控制方式設計軟件系統(tǒng)的整體流程，集數(shù)據(jù)采集、分析、存儲和點火狀態(tài)實時顯示，視頻存儲，數(shù)據(jù)回放，數(shù)據(jù)存儲等功能于一體[4]。

2? 數(shù)據(jù)采集在點火試驗中的應用

高空點火試驗臺，針對的是航空發(fā)動機在高原低壓和高空低溫低壓的惡劣環(huán)境中進行的點火試驗。

在高空點火試驗器上進行的點火過程試驗，實際上是發(fā)動機在風車狀態(tài)主燃燒室開始點火瞬時出現(xiàn)的最苛刻的一段過程，隨著高空點火成功，轉(zhuǎn)子逐漸加速，主燃燒室進口總壓、總溫和流量都逐漸上升，其趨勢對燃燒變得有利。試驗中改變點火器空間位置、按風車狀態(tài)下主燃燒室進口氣流參數(shù)壓力和溫度，調(diào)整油氣比，測定貧富油點火邊界。點火時間一般5～10秒，燃燒室平均溫升大于80度可視為著火，一般出口溫度達到幾百度以上視為點火成功。

2.1? 數(shù)據(jù)采集

在燃燒室高空點火試驗的整個過程中，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測量溫度、壓力、流量等相關參數(shù)，并通過連續(xù)保存和單點保存使相關數(shù)據(jù)得以完整保存。保存的數(shù)據(jù)可以隨時調(diào)出查看，用以分析研究試驗性能。

試驗過程中，則通過圖形化界面顯示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集到的瞬時值，如圖2所示。

通過數(shù)據(jù)采集顯示界面，試驗人員可以觀察點火試驗中溫度、壓力和流量等參數(shù)變化情況，準確調(diào)整試驗預期狀態(tài)。

2.2? 點火啟動性能曲線顯示

試驗過程中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的溫度、壓力和流量等數(shù)據(jù)都是實時的，但是由于數(shù)據(jù)比較多，變化比較快，不方便試驗人員觀察和判斷點火性能的好壞，因此采用了Measurement Studio UI的相關控件和類庫設計點火啟動性能曲線實時顯示，這樣可以方便試驗人員更好的判斷點火過程是否成功，如圖3所示。

由圖3可以看出，在點火試驗中，點火成功后溫度、流量變化顯著，數(shù)據(jù)圖形化的顯示更方便試驗人員判斷試驗過程點火是否成功。

3? 視頻監(jiān)控在點火試驗中的應用

3.1? 視頻監(jiān)控的簡單介紹

視頻監(jiān)控應用在燃燒室高空點火試驗測試技術中有很大的作用，視頻監(jiān)控的特點就是直觀、方便、信息內(nèi)容豐富，危險防范能力極強。燃燒室點火試驗是密閉試驗，試驗過程中試驗人員不能接觸試驗件，試驗人員只有通過視頻實時監(jiān)控來掌握試驗過程中試驗件和設備的狀態(tài)，能夠起到預防安全事故的作用。其次，燃燒室點火試驗通過數(shù)據(jù)觀察點火效果并不如用肉眼觀察點火效果直觀，視頻實時監(jiān)控可以觀察點火火焰及著火情況，它比試驗數(shù)據(jù)更加直觀，更加有利于試驗人員對試驗情況及時做出判斷。在試驗過程中，每一次點火的時候，通過視頻實時監(jiān)控就可以觀測到點火啟動的性能是否達標。同時，在點火試驗過程中，將視頻與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集的試驗數(shù)據(jù)同時進行保存，更加有利于試驗人員對點火試驗的分析研究。

燃燒室高空點火試驗臺首次引進了視頻實時監(jiān)控技術來進行火焰觀測。

3.2? 視頻實時監(jiān)控技術應用

將視頻監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結合在本研究所內(nèi)的發(fā)動機試驗中尚屬首例，很多技術難點還處于研究改進中。在該高空試驗臺的點火試驗中主要應用了實時監(jiān)控初始化、實時監(jiān)控、視頻保存等功能，其流程圖如圖4所示。

3.2.1? 視頻監(jiān)控初始化

在數(shù)據(jù)采集程序啟動后，同時會進行視頻監(jiān)控的初始化，在程序中會進行判斷，初始化成功才會通過運行，否則會提示“初始化失敗”。初始化SDK的程序語句如下：

3.2.2? 視頻監(jiān)控登錄

視頻監(jiān)控初始化成功后，即可進行視頻監(jiān)控登錄。利用Measurement Studio的相關控件設計一個登錄按鈕，點擊登錄按鈕以后通過局域網(wǎng)連接視頻，做好實時監(jiān)控準備，如果網(wǎng)絡通信存在問題，無法登錄時會提示“登錄失敗”，登錄語句如下：

3.2.3? 視頻實時監(jiān)控

視頻監(jiān)控初始化和登錄后，便建立了視頻存儲器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的連接，通過設計的實時監(jiān)控控件點擊后，便可以進行視頻實時監(jiān)控，視頻實時監(jiān)控程序代碼如下：

通過實時監(jiān)控，在電腦顯示屏上可以及時清楚地進行火焰觀測，實時反映試驗中的點火狀況，視頻監(jiān)控可以直觀地觀察到點火啟動性能的好壞。

3.2.4? 視頻保存

整個點火試驗過程中，實時監(jiān)控視頻同測量的數(shù)據(jù)同時進行保存，以時間作為保存名，方便試驗后對視頻和數(shù)據(jù)進行對比查看研究。視頻保存程序代碼如下：

3.2.5? 視頻回放

最后，保存好的視頻可以通過程序進行回放操作，觀察整個點火過程?？梢酝ㄟ^文件名找到保存的視頻，同保存的數(shù)據(jù)進行對比觀察，方便試驗人員在試驗后對點火過程觀察研究。

3.3? 視頻監(jiān)控應用效果

點火試驗過程中，當進行點火試驗時，通過視頻監(jiān)控可以直觀地觀測到點火的性能情況，如圖5所示。

（a）點火前

（b）點火啟動

（c）點火中

（d）點火成功

由圖5可以直觀地看出點火試驗的性能，有助于試驗人員進行判斷與操作，與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結合相得益彰，對于數(shù)據(jù)的處理也會因為有視頻的幫助而更加精準。因此，視頻監(jiān)控結合數(shù)據(jù)采集的測試技術在點火試驗中的應用非常重要。

4? 結? 論

在燃燒室高空點火試驗中使用視頻監(jiān)控系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相結合可以達到更好的效果，不僅有利于試驗過程中試驗人員的及時控制及操作，而且有利于設計人員在后期更加精準地對試驗數(shù)據(jù)進行處理。因此，視頻監(jiān)控在高空點火試驗中的應用是成功的。

但是視頻監(jiān)控技術在試驗中的應用尚有不足之處，例如由于視頻的保存與數(shù)據(jù)的保存雖然是同時進行的，但卻是分開保存的，因此保存的過程中可能存在時間上的誤差，這種誤差有可能是系統(tǒng)造成的。目前，試驗人員對視頻和數(shù)據(jù)的處理是通過尋找相同的時間點，然后調(diào)取視頻和數(shù)據(jù)進行處理研究，這會造成一定的誤差和麻煩。在以后的研究中，可以嘗試在視頻保存的同時使用水印等相關的技術，將有用的測量數(shù)據(jù)刻在視頻的畫面上進行同時保存。

視頻監(jiān)控技術的應用會越來越廣泛，在以后的發(fā)動機試驗測量技術中也會得到更多的應用，因此需要不斷地改進創(chuàng)新以滿足更多的試驗平臺。

參考文獻：

[1] 張寶城.航空發(fā)動機試驗和測試技術 [M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2] 湯玉輝，黃玲娟.發(fā)動機試驗測控系統(tǒng)設計 [C]//中國航空學會.2006年航空試驗測試技術學術交流會，2006：195-202.

[3] E1413C 64-Channels Muxed to 16 Bit，100KSamples/s A/D User’s Manual [Z].Agilent Technologies.

[4] 劉炳文.精通 Visual Basic 6.0 中文版 [M].北京：電子工業(yè)出版社，1999.

作者簡介：劉澤暉（1987-），男，漢族，湖南邵陽人，主管設計師，工程師，碩士研究生，研究方向：航空發(fā)動機試驗測試。