活塞壓縮機性能虛擬測試系統(tǒng)的研制

樊瑞筱，叢 蕊，付觀木，張 弛，朱永嘉

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318）

在傳統(tǒng)的容積式壓縮機性能測試中，采用常規(guī)指示儀表和測試設備，由人工調(diào)節(jié)壓縮機的參數(shù)，達到容積式壓縮機驗收試驗國家標準規(guī)定的各項指標值后，進行壓縮機十多個參數(shù)的人工觀測抄錄，再按國標GB/T-3853《容積式壓縮機驗收試驗》要求進行查表計算等數(shù)據(jù)處理[1]，最后得到壓縮機的性能參數(shù)。此方法耗時較長，測試效率低。為了改善測試手段，提高測試效率和精度，發(fā)展基于計算機的壓縮機性能自動測試技術(shù)成為必然。

虛擬儀器，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現(xiàn)的一種計算機儀器系統(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、存儲等方面的限制，使用戶可以方便地對其進行維護、擴展和升級等，是全新概念的新一代測量儀器，是儀器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個重要方向[3]。

依據(jù)國標要求結(jié)合活塞壓縮機的工作特點，采用串口通信將采集到的參數(shù)傳送至上位機，通過上位機中虛擬儀器設計的活塞壓縮機性能虛擬測試系統(tǒng)，自動實現(xiàn)活塞壓縮機性能的測試。

1 測試系統(tǒng)總體設計

壓縮機測試參數(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。按照國標中給出的測試方法，在壓縮機的特定部位安裝相應的傳感器，傳感器采集的信號經(jīng)信號調(diào)理卡處理（信號隔離、濾波、放大及多路復用等）后轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號[4]，該信號由數(shù)據(jù)采集卡采集并輸入計算機，再利用Lab-VIEW軟件結(jié)合Matlab實現(xiàn)各測試參數(shù)的計算分析。

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

圖1 活塞壓縮機性能測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

測試系統(tǒng)前面板如圖2所示。

圖2 活塞壓縮機性能虛擬測試系統(tǒng)前面板

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 傳感器的選取

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

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

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

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

流量測量采用國標GB15487-1995中規(guī)定的ASME噴嘴測量法測量，依此計算出壓縮機排氣量。

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

2.2 信號調(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A/D FIFO緩存數(shù)據(jù)，除了40 MHz時鐘，用戶還可通過正弦波或數(shù)字形式來提供外部時鐘，觸發(fā)模式包括軟件觸發(fā)、預觸發(fā)、后觸發(fā)、中間觸發(fā)及延時觸發(fā)。根據(jù)信號輸出類型和要求的采樣頻率，采用適當?shù)牟杉K和調(diào)理模塊完成數(shù)據(jù)采集[5]。

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

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

3 軟件設計

系統(tǒng)應用軟件主要包括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、測試測量和數(shù)據(jù)的簡易分析；

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

Matlab軟件主要用于對后續(xù)數(shù)據(jù)的復雜分析。

由于系統(tǒng)設計采用模塊化和子VI調(diào)用方式進行，因此可迅速和方便對軟件進行修正和擴展，便于現(xiàn)場使用。

4 結(jié)束語

本文設計了一個操作簡單、界面友好的活塞壓縮機虛擬測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合應用了傳感器、信號調(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)。

本文設計的虛擬測試系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)和Lab VIEW軟件在數(shù)據(jù)采集和信號分析與處理中的強大功能，可以廣泛用于測試測量領(lǐng)域，完成對信號的實時采集與處理。

[1]全國壓縮機標準化技術(shù)委員會.中國機械工業(yè)標準匯編·壓縮機卷[M].北京：中國標準出版社，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].振動與沖擊，2009，（1）：48-49.

[3]牛群峰，王莉等.壓縮機性能測試與參數(shù)計算的虛擬儀器實現(xiàn)[J].電子測量技術(shù)，2008，31(7)：80-82.

[4]姜良銀，李明等.基于LabVIEW的地鐵空壓機測試系統(tǒng)設計[J].機械設計與制造，2011，（4）：60-62.

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