基于LabVIEW的定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)設計

張璇 王筱蓉 姜熠豪 高建偉

摘?要：

為了解決傳統(tǒng)定容燃燒彈系統(tǒng)實驗操作繁瑣、數據采集精度低、數據傳輸慢和系統(tǒng)控制效果差等問題，設計了一種定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)。首先，對定容燃燒彈各系統(tǒng)進行方案設計，結合傳感器、點火線圈和高速攝像機等硬件搭建系統(tǒng)的功能模塊；其次，完善LabVIEW軟件編程上位機對單片機、cRIO控制器組成的下位機的系統(tǒng)控制和數據采集；最后，通過實驗測試系統(tǒng)的性能。結果表明：設計的控制與數據采集系統(tǒng)實現(xiàn)了定容燃燒彈系統(tǒng)的集成化，優(yōu)化了實驗步驟，提高了實驗效率，提升了數據采集精度和數據傳輸速度，并實現(xiàn)系統(tǒng)數據采集與控制的數字化、圖像化和自動化。所設計的定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)可進行預混燃燒及噴霧實驗，可為內燃機和燃氣輪機等燃燒室的設計及合理應用提供參考。

關鍵詞：

熱工測量與儀器儀表；定容燃燒彈；LabVIEW；傳感器；數據采集

中圖分類號：

TK39

文獻標識碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx01009

LabVIEW-based fixed-volume incendiary bomb control and data acquisition system design

ZHANG Xuan， WANG Xiaorong， JIANG Yihao， GAO Jianwei

（College of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212100， China）

Abstract：

In order to solve the problems of cumbersome experimental operation， low data acquisition accuracy， slow data transmission and poor system control effect of the traditional fixed-volume incendiary bomb system， a fixed-volume incendiary bomb data acquisition and control system was designed. Firstly， the scheme design of each system of fixed-volume incendiary bomb was carried out， and the functional modules of the system were built by combining the sensors， ignition coils and high-speed cameras and other hardware. Secondly， the system control and data acquisition of the host computer with LabVIEW software programming for the lower computer composed of the single-chip microcomputer and cRIO controller were improved. Finally the performance of the system was verified by experimental tests. The design results show that the designed control and data acquisiton system realizes the integration of the fixed-volume incendiary bomb system， optimizes the experimental steps， improves the experimental efficiency， improves the accuracy of data acquisition and data transmission speed， and achieves the digitization， visualization and automation of the system data acquisition and control. The designed fixed-volume incendiary bomb control and data acquisition system can carry out premixed combustion and spray experiments， which provides a reference for the design and rational application of combustion chambers such as internal combustion engines and gas turbines.

Keywords：

thermal measurement and instrumentation; fixed-volume incendiary bomb；LabVIEW；sensors；data acquisition

隨著中國汽車保有量的急劇增加，由此引發(fā)的環(huán)境問題也越來越嚴重[1]。內燃機作為汽車動能來源，其主要依靠燃燒汽油、柴油等石油制品來獲取動能輸出[2-3]，而在燃料燃燒過程中產生的各種廢氣嚴重污染生態(tài)環(huán)境，被認為是可持續(xù)發(fā)展道路上的主要障礙之一[4-6]。因此，國內外學者開始不斷尋找對環(huán)境友好的可再生替代燃料，如氫燃料和麻風樹油燃料等清潔能源[6-8]。

為探索燃料在內燃機燃燒過程中的燃燒特性，需要進行數值模擬與實驗分析，但數值模擬所獲取的燃燒模型很難準確描述燃燒過程與燃燒機理，因此必須采用實驗的方式來獲取燃燒特性數據[9-13]。考慮到內燃機燃燒過程涉及燃燒、傳熱等復雜因素，且需控制各個參數與燃燒條件[13-16]，為此搭建了定容燃燒彈系統(tǒng)來觀測燃料在內燃機內的燃燒狀況?；诓煌膶嶒災康?，國內外學者所搭建的定容燃燒彈系統(tǒng)也多種多樣，PRASAD等[17]采用激光點火方式進行定容彈燃燒實驗，研究了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氫氣含量的關系，但實驗系統(tǒng)單一，局限于預混燃燒；岳卿[18]基于PLC搭建了預混式定容燃燒彈系統(tǒng)，[HJ2.1mm]研究了摻氫天然氣-空氣-稀釋氣體混合氣在發(fā)動機內的預混燃燒過程，并獲得了不同參數下的層流燃燒速度，但實驗對象局限于預混燃燒；蔣德明等[19]為研究湍流燃燒，在預混式定容燃燒彈的基礎上增加了磁耦合風扇，隨后對甲烷-空氣進行湍流燃燒實驗，探明了甲烷-空氣在發(fā)動機內的燃燒規(guī)律，但實驗時點火與高速攝像機不能同步觸發(fā)，系統(tǒng)時序性低。

本文基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺設計一種定容燃燒彈系統(tǒng)，其具有溫控加熱、點火控制、實時數據采集、信號處理、數據存儲、過溫報警等功能，實現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化，優(yōu)化了實驗步驟。

1?控制與數據采集系統(tǒng)設計

1.1?系統(tǒng)方案設計

定容燃燒彈系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由定容燃燒彈、燃料注射及排氣模塊、溫控加熱模塊、點火模塊、時序控制模塊、紋影成像模塊、數據采集模塊7個部分組成。

1.1.1?燃燒彈腔體設計

采用八棱柱作為主體框架，腔體內部有燃燒腔供燃料燃燒，預留多個孔供進氣管、排氣管、傳感器及點火裝置的安裝，同時設計了石英窗方便觀察、記錄燃燒過程。該燃燒彈耐高溫、高壓，且有較強的密封性。

1.1.2?燃料注射及排氣模塊

燃料注射及排氣模塊如圖2所示，注油帽中裝有密封墊圈，防止燃料氣體漏出，注油閥與注油帽采用螺紋連接，同時外敷一層隔膜增加密封性。燃料注射步驟：關閉注油閥，打開排氣閥和壓力表保護閥，打開真空泵進行抽氣，壓力表顯示0.5 bar后停止抽氣，打開注油閥，注射燃料完成后關閉注油閥，取下注油帽。

1.1.3?溫控加熱模塊

為研究不同溫度下燃料的燃燒過程，需要把燃燒彈內部溫度設置為初始值。選用WRPK-231鎧裝熱電偶（上儀集團提供）對燃燒彈溫度加熱，根據數據采集卡的數據用電壓控制加熱電源回路的開關，并利用LabVIEW設計了熱電偶標定、溫度監(jiān)測和加熱電源控制程序。

1.1.4?點火模塊

采用STC單片機控制點火驅動單元，點火線圈驅動器選用VB325SP芯片（意法半導體（ST）集團提供），該芯片具有低電壓鉗位、熱關機與內部電流限制、防止過熱的特征。點火過程：單片機收到點火信號后發(fā)送指令至VB325SP芯片，VB325SP芯片開始充電，充電完成后釋放高電壓點燃點火線圈，點火指示燈亮起，點火完成。

1.1.5?時序控制模塊

混合燃料在定容燃燒彈內的燃燒過程是在一瞬間完成的，所以需要嚴格控制高速攝像機和數據采集卡在點火發(fā)生時被同步觸發(fā)。選用DG645數字延時發(fā)生器（美國Scott Rotary Seals（SRS）公司提供）作為同步觸發(fā)設備，DG645數字延時發(fā)生器具有精準8路延時輸出端口，輸出延時為0～2 000 s，分辨率為5 ps。

1.1.6?紋影成像模塊

紋影成像模塊主要由光源、光學元件及高速攝像機組成，模塊整體呈“Z”字形布置，利用鏡面反射原理記錄實驗過程。攝像機選用日本Phtron公司提供的SAD高速攝像機，相機分辨率為1 024 dpi×1 024 dpi，最高拍攝速度為15 000幀/s?？紤]到攝像機內存有限，實驗時常設置分辨率為512 dpi×512 dpi，拍攝速度為8 000幀/s。

1.1.7?數據采集模塊

實驗時需采集預混燃燒的初始溫度及燃料燃燒過程的燃燒彈內的壓力值，初始溫度通過溫控加熱模塊采集。選用德國Bosch公司提供的6115B測量式火花塞進行燃燒彈壓力測量，該火花塞不僅可以實現(xiàn)火花點火功能，而且能夠測量燃燒動態(tài)壓力信號。信號采集后由采集卡收集信號，傳入PC端儲存。

1.2?系統(tǒng)硬件設計

在定容燃燒彈內進行燃燒實驗，需要采集的信號有混合燃料溫度與燃燒過程的壓力值。由于被控對象是加熱電源，數據采集裝置需要能夠快速采集模擬信號并支持開關型輸入輸出。郝光健[21]使用的采集卡雖能實現(xiàn)實時數據采集，但數據采集精度不高。所以系統(tǒng)選用美國國家儀器有限公司（簡稱NI公司）研發(fā)的cRIO-9043控制器和C系列模塊NI9265進行控制及數據采集，不僅實現(xiàn)了數據實時采集，也保證了數據精度。cRIO-9043控制器內置8 GB內存，可重置FPGA、RT實時處理器和控制器PFIO，控制器的最大輸入輸出頻率為1 MHz，采樣精度為5×10-5。NI9265模塊有4個通道，且輸出速度高達100 kS/s，輸出范圍為0～20 mA，分辨率為16 bit。

1.3?系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件由上位機與下位機組成。

1）下位機單片機程序是在Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編寫。程序整體采用模塊化設計，主要包括初始化程序、主程序、I2C數據發(fā)送程序和串口中斷程序。下位機流程圖如圖3所示。

2）上位機單片機程序是基于NI公司研發(fā)的LabVIEW虛擬儀器及相關庫函數來實現(xiàn)的。LabVIEW是一種圖形化編程G語言，在儀器測量及數據采集方面有廣泛的應用。本系統(tǒng)基于LabVIEW2018開發(fā)上位機程序，程序主要包括熱電偶標定程序、溫控加熱程序、燃料注射量計算程序、點火控制程序和動態(tài)壓力采集程序。上位機前面板如圖4所示。

1.3.1?熱電偶標定程序

調用LabVIEW事件結構控件，主要由“讀取”“標定”“刪除”“退出”4個事件組成。程序開始前進行初始化；當判斷無其他事件執(zhí)行時執(zhí)行“讀取”事件，程序配置C系列模塊采集卡并啟動AD轉換，等待1 s后采集卡采樣，將采集的電壓值存入數組，數組索引自動加1；讀到錯誤數據后，可刪除錯誤數據并對數組索引值減1，獲得10組電壓值和溫度值后停止讀取，利用最小二乘法對電壓與溫度進行線性擬合，生成輸出方程和擬合曲線，將擬合后的斜率、截距存入內存中，完成后退出子程序，返回主程序。程序流程圖如圖5所示。

1.3.2?溫控加熱程序

圖6為溫控加熱程序流程圖。程序配置采集卡AD轉換，可根據標定后儲存在內存中的斜率與截距將采樣的電壓值轉換為實時溫度并顯示。對溫度進行判斷，當小于目標溫度時，控制器驅動加熱電源釋放低電平，開啟電源加熱；當大于目標溫度時，高溫預警燈亮起，控制器驅動加熱電源釋放高電平，關閉電源加熱。

1.3.3?燃料注射量計算程序

圖7所示為燃料注射量計算程序。燃料注射量計算的原理：在體積為V0的定容彈中，可以根據理想氣體方程求出指定溫度T、壓力p下的氣體總物質的量，見式（1）。

nt=pV0/RT，（1）

式中：R=8.314 J/（mol·K；nt為氣體總物質的量。

對于任意單一燃料CxHyOz，假設所注入的燃料氣化后物質的量為n，那么容彈中空氣物質的量為（nt－n），其中氧氣的物質的量為0.21（nt－n）。單一燃料CxHyOz與氧氣完全反應的配平化學方程式見式（2）：

CxHyOz+x+y/4-z/2O2=

xCO2+

y/2H2O。[JY]（2）

根據式（2）可以推出與氧氣完全反應所需要的燃料的量為

k=0.21（nt-n）x+y4-z2。（3）

當量比的計算公式：

=nk。（4）

根據式（5）可以推導出當量比下所需要的燃料物質的量：

n=0.21nt0.21+x+y4-z2。（5）

按照上述公式編寫計算程序，可計算出一定溫度、壓力、當量比下的混合燃劑注射量。

1.3.4?點火控制程序

上位機通過串口發(fā)送點火信號給下位機，下位機收到信號準備點火。調用LabVIEW的VISA節(jié)點，點擊點火按鈕時，程序通過VISA發(fā)送信號至單片機，等待1 s后點火完成，指示燈亮起。圖8所示為串口信號發(fā)送程序。

1.3.5?動態(tài)壓力采集程序

該程序通過DAQ數據采集節(jié)點采集壓力信號，并將采集數據儲存至TDMS文件中。點火發(fā)生前，設置采樣通道為單通道多采樣，采樣頻率為500 kHz，采樣時間為400 ms。點火信號觸發(fā)后，同步觸發(fā)器釋放觸發(fā)信號，數據采集卡立刻進入儲存采樣工作模式，對數據進行采樣，數據采集后調用MATLAB高斯擬合節(jié)點對數據進行誤差消除。數據采集和儲存程序框圖如圖9所示。

2?實驗測試與結果分析

1）壓力曲線

為了測試系統(tǒng)性能，使用cRIO-9043控制器配合NI9265系列模塊進行數據采集，采集卡設置采樣時間為400 ms，采樣頻率為500 kHz，采樣次數為1.9×105。本文采用乙醇-氫氣混合燃燒進行實驗測試，在初始溫度為370 K、壓力為1 bar的環(huán)境條件下，分別對當量比為0.8、1.0、1.2的混合氣體進行混合燃燒實驗，通過程序運算后獲得各當量比下的乙醇、氫氣注射量。

圖10為乙醇-氫氣混合氣燃燒壓力曲線。

定容彈內的壓力隨著點火發(fā)生后迅速升高，1.0和1.2當量比下的乙醇-氫氣混合氣燃燒，50.0 ms內迅速達到6.8 bar最大氣壓，隨后壓力值慢慢降低，380.0 ms后降至3 bar；0.8當量比下的乙醇-氫氣混合氣燃燒后的壓力值提升相對較慢，需65.0 ms后達到6 bar最大氣壓，同樣于380.0 ms后壓力值降至3 bar。圖中的各壓力數據完整且連續(xù)，彌補了傳統(tǒng)燃燒彈動態(tài)

壓力數據錯亂缺失的不足，但壓力曲線距理想狀態(tài)仍有差距，將在后續(xù)研究中對其改良。

2）紋影圖像

圖11顯示了在4 bar壓力下預混乙醇-氫氣火焰的紋影圖像。

從圖中可以看出，在相同的火焰半徑下，乙醇-氫氣火焰表現(xiàn)出顯著的不穩(wěn)定性。在初始階段，由于強烈的火焰拉伸和彎曲的影響，球形火焰前表面相對光滑（穩(wěn)定）；

隨著半徑的增加，裂紋開始在火焰表面上形成并繼續(xù)分裂，相交的裂紋開始形成越來越多尺寸不均勻的細胞，直到最終形成完全細胞狀態(tài)。隨著當量比的增加，火焰的褶皺和細胞化程度增加，火焰表面形成的細胞數量增加，火焰不穩(wěn)定性增加，火焰失穩(wěn)發(fā)生時間提前。清晰的紋影圖像和完整的球狀火焰對研究混合燃料爆炸歷程具有極大的價值，彌補了傳統(tǒng)燃燒彈實驗的不足。

3?結?語

本文以定容燃燒彈控制與數據采集為核心，設計了定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)，并通過實驗對系統(tǒng)的整體性能進行了測試分析。

1）針對定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)的需求，設計了燃料注射及排氣模塊、溫控加熱模塊、點火模塊、時序控制模塊、紋影成像模塊、數據采集模塊等6個模塊，并通過NI cRIO-9043控制器及單片機組成的下位機與LabVIEW軟件對系統(tǒng)進行控制，實現(xiàn)燃燒彈實時數據監(jiān)測與數據采集功能。

2）經測試發(fā)現(xiàn)，壓力曲線平滑，混合燃料燃燒時動態(tài)壓力達到預期目標；紋影圖像清晰，火焰燃燒爆炸效果較好，說明系統(tǒng)的整體性能良好，滿足預混燃燒及噴霧的實驗條件。

3）設計的定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)彌補了傳統(tǒng)定容燃燒彈系統(tǒng)數據采集精度不高和系統(tǒng)控制信號傳輸慢的缺陷。

但是，點火系統(tǒng)仍有不足，未來將對其進行研究。

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收稿日期：2023-03-02;修回日期：2023-12-02；責任編輯：王海云

基金項目：江蘇省研究生創(chuàng)新基金（SJCX22_1913）

第一作者簡介：

張璇（1999—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事能源動力工程方面的研究。

通信作者：

王筱蓉教授。E-mail：wangxiaorong_just@163.com

張璇，王筱蓉，姜熠豪，等.

基于LabVIEW的定容燃燒彈控制與數據采集系統(tǒng)設計

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