活塞式空氣壓縮機排氣量虛擬測試系統(tǒng)的研制

付觀木，王金洋，張 穎，苗婷婷，康少楠

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318）

排氣量是活塞式壓縮機的一個重要性能參數(shù)，其表征了壓縮機的工作能力和工作狀況。目前空氣壓縮機排氣量的測定方法，主要有兩種：直接測量，如儲氣罐測量法；間接測量，如噴嘴法[1]。

傳統(tǒng)的噴嘴法測量壓縮機排氣量，較為繁瑣，測試人員在獲取各項參數(shù)后，根據(jù)標準查表計算出排氣量，自動化程度較低、誤差較大。因此，為了提高測量精度，減輕工人的勞動強度，發(fā)展基于計算機的壓縮機排氣量自動測量技術已成為急需。

LabVIEW虛擬儀器軟件平臺，具有虛擬的儀器面板、圖形化編程功能，改變了傳統(tǒng)儀器在數(shù)據(jù)傳輸、顯示、處理、存儲等方面的限制，技術先進、功能靈活、容易構建，是測控技術發(fā)展的一個重要方向[2]。采用虛擬儀器技術，可以在計算機中實現(xiàn)對活塞式壓縮機排氣量的測試。與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)相比，性價比高，其智能化程度和數(shù)據(jù)處理能力強。

1 系統(tǒng)總體設計

排氣量測試系統(tǒng)采用PCI總線方案，系統(tǒng)總體設計如圖1所示。系統(tǒng)硬件包括傳感器、信號調(diào)理卡、數(shù)據(jù)采集卡、PC機。

圖1 系統(tǒng)總體設計圖

選用Pt100傳感器測量壓縮機吸入氣體和排出氣體的溫度。噴嘴前后的壓差測量采用ADS-809型壓力變送器，其綜合精度±0.1%。

圖2 噴嘴幾何形狀圖

1.2 信號調(diào)理和數(shù)據(jù)采集

選用凌華的PCI 9812數(shù)據(jù)采集卡，PCI 9812是4通道10位20 MS/s同步采樣模擬輸入卡。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。調(diào)理卡將傳感器所得信號經(jīng)隔離、放大處理后送給采集卡進行A/D轉換，最后送給PC機進行數(shù)據(jù)采集處理和后處理。

2 排氣量測量

本次排氣量測試采用的是ASME噴嘴法，噴嘴尺寸和形狀應符合表1和圖2的規(guī)定。其收縮面與圓柱部分應相切，并且圓滑過渡。儲氣罐應符合ZBJ 72041的規(guī)定。

表1 噴嘴尺寸

排氣量計算需要獲取以下參數(shù)：

噴嘴系數(shù)C；

噴嘴直徑d，mm；

壓縮機一級吸氣溫度Tx1，K；

噴嘴壓差△P，Pa；

噴嘴上游氣體溫度T1，K；

試驗處大氣壓力Pb，Pa。

根據(jù)GB/T 15487-1995中的規(guī)定，采用ASME噴嘴測量方法測量壓縮機流量，當空氣壓縮機吸氣壓力等于實驗處的大氣壓力時，空氣壓縮機流量計算公式為

3 修正值獲取的算法

將噴嘴氣體換算到壓縮機吸氣狀態(tài)下的相對蒸汽壓計算較為復雜，需要先計算出冷凝水量和一級吸入氣體含濕量，然后才能計算出該參數(shù)[3]。

修正值的計算程序采用LabVIEW 編程，將各個計算公式編輯成子VI的形式，計算時通過主VI調(diào)用子VI（即調(diào)用各個公式）[4]，實現(xiàn)計算機自動計算。此方法比起人工查標準公式計算簡單快速，且精度和效率高。

4 應用實例

結合具體的采集實例，介紹本次設計的采集系統(tǒng)。

本次測量選用噴嘴直徑d為19.05 mm，測得噴嘴壓差△P為1.5 kPa（1 mmH2O=9.806 4 Pa）；壓縮機一級吸氣溫度Tx1為290 K；噴嘴上游氣體溫度T1為332 K；試驗處大氣壓力Pb為98.76 kPa。由T1和△P 查詢噴嘴系數(shù)特性曲線得噴嘴特性線位于C、D 之間，再結合噴嘴系數(shù)表查得噴嘴系數(shù)C 和D 分別為0.974、0.976，再利用線性插值法算得噴嘴系數(shù)為0.975，最后把各參數(shù)帶入式（1），計算出壓縮機的排氣量。

圖3為壓縮機排氣量虛擬測試系統(tǒng)前面板。各測量參數(shù)的換算及噴嘴系數(shù)的查詢采用不同的VI程序，通過主VI調(diào)用子VI實現(xiàn)參數(shù)的獲取和換算，最終獲得壓縮機排氣量的計算值。

圖3 壓縮機排氣量虛擬測試前面板

圖4為獲取閥前排氣壓力子VI程序框圖。

圖4 閥前排氣壓力子VI程序框圖

5 結束語

本文研制了活塞式空氣壓縮機排氣量虛擬測試系統(tǒng)，通過實例介紹了排氣量的測試方法及步驟。利用LabVIEW軟件，將不同功能模塊編輯成獨立VI，主VI通過調(diào)用子VI實現(xiàn)參數(shù)獲取、數(shù)據(jù)簡易處理、排氣量計算及計算值修正計算等功能，實現(xiàn)排氣量的自動測試代替人工查表計算。與傳統(tǒng)測試方法相比，基于虛擬儀器技術開發(fā)的活塞式空氣壓縮機排氣量虛擬測試系統(tǒng)效率高，性能可靠，系統(tǒng)可維護性和可擴展性好。

[1]徐從清，王爾湘.空氣壓縮機排氣量的簡易測量方法[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2009，22(4)：150-151.

[2]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，2011，34(14)：173-174.

[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，2008，31(7)：81-82.

[4]金海軍，王群金，等.基于虛擬儀器的壓縮機性能測試系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)[J].測控技術，2011，（9）：58-59.