基于LabVIEW的等離子木纖維凈化器性能檢測系統設計

郭秀榮，馬超，王迎輝，徐岳峰，楊瀟

0 引言

等離子木纖維凈化器是低溫等離子體與微米木纖維協同作用，使得PM與NOx同時得到凈化的一種新型柴油車尾氣后處理技術，在等離子木纖維凈化器凈化柴油車尾氣的過程中，尾氣流速、溫度和發動機轉速對其凈化性能均有影響［1］。根據柴油發動機尾氣檢測的相關標準，需要實時監測尾氣溫度、排氣背壓以及NOx的濃度，實現對凈化器凈化性能的綜合分析。

目前市面上的相關氣體分析儀器難以實現多種數據組態分析的功能［2］。LabVIEW是虛擬儀器領域中最具有代表性的圖形化編程開發平臺之一［3-6］，不僅在很大程度上降低了汽車尾氣檢測系統的開發費用，縮短了系統的開發周期，同時，基于虛擬儀器的測試系統界面直觀、易于操作并且可實現數據組態的分析［7-8］。

基于以上考慮，本文分別對凈化器檢測系統的硬件部分和軟件部分進行設計，采用全圖形化編程，開發柴油發動機尾氣檢測系統，繪制出NO濃度、NO2濃度、尾氣溫度以及壓力隨時間變化的關系曲線圖，并對凈化器進行發動機臺架試驗，以便驗證該檢測系統的準確性和可操作性。

1 系統硬件設計配置與實現

柴油車尾氣檢測系統主要由傳感器、信號調理器、數據采集卡、計算機和開發軟件等組成［9-10］。檢測系統硬件結構設計如圖1所示。

圖1 系統硬件構成框圖Fig.1 The block diagram of system hardware structure

該系統涉及兩路氣體通道、一路溫度通道、兩路壓力通道和兩路備用通道，各傳感器選型見表1。

信號調理器的作用是把傳感器的電荷量、電阻量等非電壓量轉化成電壓量并且對微弱的信號進行放大［11］。數據采集卡是連接待測元件和上位機的橋梁，把采集到的電量信號送到上位機進行處理和分析，從溫度傳感器和壓力傳感器上直接采集到的信號均是模擬信號，而上位機不能直接處理模擬信號，因此需要進一步進行信號調理及A/D轉換［12-16］，把所采集到的模擬信號轉換成數字信號，并通過計算機對信號進行分析、運算和處理，生成所需要的波形圖譜以及趨勢曲線，便于研究者進行數據的分析［17-19］。

本系統所使用的PCI-1710是一款功能強大的低成本多功能PCI總線數據采集卡，其特別適合用于構成數據采集與控制試驗系統，完成多種測控試驗。其包含5種最常用的測量和控制功能：16路單端或8路差分模擬量輸入、12位A/D轉換器（采樣速率可達100 kHz）、2路12位模擬量輸出、16路數字量輸出及計數器/定時器功能［20］。一個完整的尾氣檢測系統還需要用到接線端子板和通訊電纜，電纜采用PCL-10168型，其主要作用是為了將各信號間的交叉干擾降到最小［21］。接線端子板采用ADAM-3968型，是DIN導軌安裝的68芯SCAI-II接線端子板，用于各種輸入輸出信號的連接。

當PCI-1710板卡設備安裝在電腦主機的PCI插口以后，打開設備管理程序Advantech Device Manager，如圖2所示，由此證明PCI-1710數據采集卡的硬件和軟件均已安裝完畢，接下來需要對板卡設備進行測試，主要測試項目包括模擬量輸入、模擬量輸出、數字量輸入、數字量輸出以及計數器功能。

圖2 驅動安裝界面Fig.2 Drive installation interface

2 系統軟件設計

柴油發動機尾氣檢測系統以LabVIEW2012為軟件開發平臺，以研華1710數據采集卡作為信號采集工具。該系統主要是通過上位機的人機界面功能，利用數據采集卡以及各種傳感器達到采集柴油車尾氣中NO和NO2以及臺架試驗中各性能參數，并直觀表現在上位機界面。綜合分析柴油發動機尾氣檢測系統的工作目標，所設計的軟件系統主要功能模塊劃分如圖3所示。

圖3 軟件系統功能模塊Fig.3 Function module of software system

柴油發動機尾氣檢測系統由用戶管理模塊和檢測模塊構成，用戶管理模塊可以通過設置用戶名和用戶密碼，從而控制用戶權限、記錄用戶行為、保護操作的安全。圖4描述了登錄界面所對應的程序框圖。

圖4 登錄界面程序框圖Fig.4 Login interface program block diagram

檢測模塊采用主界面面板將柴油發動機尾氣檢測系統分為通道參數配置、各通道采集控制命令按鈕以及錯誤提示等主要功能區，同時還包括對各通道所采集信號進行數據分析與處理功能。其中，主要包括5種測試參數（NO濃度、NO2濃度、溫度、凈化器入口段壓力即壓力1、凈化器出口段壓力即壓力2）的數字顯示控件以及所對應的波形圖，同時主界面還包括尾氣溫度顯示條、當前時間、暫停采集命令控制按鈕。

通道參數設置面板下可以任意設定數據采集的通道，默認值為從0到5，即可以選擇6路信號同時采集，本系統最大可以擴展到同時進行16路的單端或者8路的差分數據采集。本系統所采用1 710數據采集卡工作在增益為1的狀態下，輸入量程設置為-5.00 V～+5.00 V。

3 實驗驗證

為了驗證柴油發動機尾氣檢測系統的可操作性和檢測結果的準確性，采用普通測量法［22］對其進行發動機臺架實驗，并將LabVIEW虛擬儀器所測得的實驗數據和通過GASBOARD尾氣分析儀、TM330紅外測溫儀以及YTN150壓力表所測得的實驗數據進行對比分析，完成對該檢測系統的調試和驗證，發動機臺架如圖5所示。

圖5 柴油發動機尾氣檢測系統試驗臺架Fig.5 Text bench of diesel engines exhaust gas detection system

在此次試驗中，所選用發動機為Lister Petter AA1單缸柴油發動機，整個試驗過程均在室內進行。室內溫度為20 ℃，將柴油機節氣門開度設置為50%，柴油發動機轉速設置為2 000 r/min，記錄發動機在不同運轉時刻下NO和NO2的濃度瞬態值，試驗總時長為100 h。在試驗過程中，打開柴油發動機，先預熱30 min，然后每隔10 h使用尾氣分析儀分別記錄NO和NO2的濃度值，使用測溫儀檢測冷卻器后端排氣管尾氣溫度值，使用壓力表測凈化器兩端壓力值。如圖6～8所示為發動機節氣門開度為50%、轉速為2 000 r/min時LabVIEW虛擬儀器實時趨勢曲線和不同時刻下測量值的對比分析曲線。

圖6 NO、NO2濃度對比分析曲線Fig.6 NO、NO2 concentration comparison analysis curve

圖7 溫度對比分析曲線Fig.7 Temperature comparison analysis curve

圖8 排氣背壓對比分析曲線Fig.8 Exhaust backpressure comparison analysis curve

從圖6～8中可以看出，LabVIEW虛擬儀器實時檢測結果為連續變化的曲線，其中NO和NO2的濃度分別在25～40 ppm和5～10 ppm范圍內變化；而尾氣溫度保持在80～100 ℃范圍內，最高可達100 ℃；排氣背壓在650～800 Pa。從整體上可以看出，發動機節氣門開度為50%，轉速為2 000 r/min，發動機運轉總時長為100 h時，在相同時刻通過尾氣分析儀所測得的NO和NO2濃度值、尾氣溫度值、排氣背壓與LabVIEW虛擬儀器實時采集值基本吻合。本次開發的柴油發動機尾氣檢測系統能達到測量預期目標，實現了對發動機臺架試驗中所需參數測量的需求。

4 結論

基于LabVIEW的等離子木纖維凈化器性能檢測系統具有操作方便、界面清晰直觀、容易實現檢測系統功能性的優點，同時，LabVIEW虛擬儀器本身編程效率高，系統升級方便快捷，在尾氣檢測方面具有很好的應用前景。本文具體結論如下：

（1）本文所設計的檢測系統以LabVIEW虛擬儀器為開發平臺，可以準確的將柴油車尾氣中NO和NO2的濃度以及尾氣溫度進行檢測與采集，并且以波形圖譜的形式準確的繪制出實時變化趨勢曲線。

（2）本文通過柴油發動機臺架試驗，將LabVIEW虛擬儀器所采集數據與尾氣分析儀和測溫儀及壓力表采集數據進行對比分析，在相同時刻下，兩組試驗數據基本吻合，驗證了該系統的準確性和實用性，可以實現對等離子木纖維凈化器性能檢測的需求。

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