基于PXIe高速同步溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在真空熱試驗(yàn)中的運(yùn)用

邵靜怡，寧 娟，李 娜

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

0 引言

熱真空試驗(yàn)中，試件的數(shù)據(jù)采集是試驗(yàn)中非常重要的環(huán)節(jié)，是溫度控制的基礎(chǔ)，是試件在空間冷黑背景下熱特性的判斷依據(jù)[1]。目前，大型真空熱試驗(yàn)中，由于測量通道較多，一般采用數(shù)字萬用表搭多個多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的方式完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)[2]。這種測量方式有效地解決了多通道測量，控制了成本。由于測量單元較少，通道采用串行測量方式，隨著通道數(shù)量增加，測量時間明顯增長，無法反應(yīng)試驗(yàn)件瞬時溫度特性，對溫度控制增加了難度，同時數(shù)字萬用表和多路轉(zhuǎn)換開關(guān)均使用繼電器，實(shí)現(xiàn)測量信號切換和測量通道切換功能，增加了設(shè)備故障的概率。

以PXIe高速測量板卡為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套真空熱試驗(yàn)快速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以完成大型真空熱試驗(yàn)的數(shù)據(jù)采集，并且提高系統(tǒng)的可靠性[3]。

1 真空熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集現(xiàn)狀分析

目前，真空熱試驗(yàn)常用的數(shù)據(jù)采集方式主要有兩種：高精度數(shù)字萬用表和專用模擬量輸入模塊（PLC模塊等），分別應(yīng)用于中大型真空熱試驗(yàn)和小型真空熱試驗(yàn)，兩種數(shù)據(jù)采集方法各有優(yōu)勢。

中大型真空熱試驗(yàn)，溫度測量點(diǎn)較多，測量精度要求較高，一般使用定制熱電偶作為溫度傳感器，使用高精度數(shù)字萬用表搭配多路轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用上位計(jì)算機(jī)中的軟件對儀器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、擬合計(jì)算、數(shù)據(jù)記錄等功能。同時可為溫度控制軟件提供反饋點(diǎn)溫度，試驗(yàn)過程中控制反饋點(diǎn)可以靈活調(diào)整。該方法需要上位機(jī)通過通信協(xié)議驅(qū)動儀器設(shè)備，速度較慢，一般只有一個或幾個測量單元，在測量通道數(shù)較多的情況下，須要較長時間才能完成一個周期的溫度測量，在溫度場變化較快的情況下，無法準(zhǔn)確反映試件當(dāng)前時刻的溫度特性。在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，容易發(fā)生網(wǎng)線連接斷開或網(wǎng)絡(luò)擁塞的情況，使上位機(jī)的控制指令無法發(fā)送到儀器中，導(dǎo)致控制異常。

小型真空熱試驗(yàn)，由于測量通道較少，對測量精度要求較低，一般采用PT100作為溫度傳感器，使用PLC的RTD模塊等完成數(shù)據(jù)采集。這種數(shù)據(jù)采集方式速度較快，采集精度較低，AD轉(zhuǎn)換精度一般為12位，用于熱電阻等溫度傳感器的數(shù)據(jù)采集，不能滿足熱電偶等小信號數(shù)據(jù)采集要求。這種數(shù)據(jù)采集方法局限性較多，在真空熱試驗(yàn)中適用范圍較小。

因此，需要將高速高精度數(shù)據(jù)采集引入真空熱試驗(yàn)中，滿足對復(fù)雜試件瞬態(tài)溫度情況的監(jiān)測，提高真空熱試驗(yàn)的試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

2.1 真空熱試驗(yàn)高速數(shù)據(jù)采集需求

真空熱試驗(yàn)高速數(shù)據(jù)采集的信號種類主要有兩種：

（1）熱電偶：測量值變化范圍為-20～+20 mV，采用單線制引線方式，測量精度不低于6位半；

（2）PT100鉑電阻：測量值變化范圍為10～200 Ω，采用四線制引線方式。

真空熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集一般包括以上一種或幾種信號類型，測量點(diǎn)的數(shù)量從幾十到上百點(diǎn)不等。在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時，采樣速度不低于1 Hz，采樣速度可調(diào)，數(shù)據(jù)采集軟件在完成數(shù)據(jù)采集的同時，能實(shí)時顯示、存儲數(shù)據(jù)，并通過測控局域網(wǎng)共享數(shù)據(jù)。作為固定的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，應(yīng)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和通用性，能根據(jù)試驗(yàn)的具體需求對測量系統(tǒng)進(jìn)行配置。

2.2 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

真空熱試驗(yàn)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由測量傳感器、分線箱、參考點(diǎn)、PXIe采集板卡、計(jì)算機(jī)、服務(wù)器等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

測量信號從真空容器內(nèi)經(jīng)穿墻插頭引出到容器外，通過分線箱接入測量儀器，再通過以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到總控間計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理、顯示、存儲等操作。

圖1 高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 High-speed data acquisition system structure

2.3 高速數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)

機(jī)箱選用PXIe-1062Q，嵌入式控制器采用PXIe-8135，可以支持最多7塊PXIe板卡執(zhí)行數(shù)據(jù)采集。

數(shù)據(jù)采集板卡選用PXIe-4353和PXIe-4357兩種板卡分別測量熱電偶信號和鉑電阻信號。PXIe-4353具有32路熱電偶采集通道，24位采樣精度，最高采樣速度為90 S/s/通道，高分辨率采樣速度為1 S/s/通道，電壓采集量程為±80 mV。PXIe-4357具有20路RTD采集通道，可支持PT100或PT1000的電阻采集，24位采樣精度，最高采樣速度為100 S/s/通道，高分辨率采樣速度為1 S/s/通道。

真空熱試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集時，PXIe-4353和PXIe-4357兩種板卡同時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，傳感器信號通過分線箱和接線盒接入采集單元內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集數(shù)據(jù)在控制器中進(jìn)行擬合運(yùn)算，通過鉑電阻計(jì)算出參考點(diǎn)溫度，反推出熱電偶補(bǔ)償電壓，對熱電偶實(shí)際測量值進(jìn)行比對計(jì)算，得到該熱電偶的實(shí)際溫度。控制器通過以太網(wǎng)與客戶端連接，進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)采集過程中以太網(wǎng)意外斷開，控制器可獨(dú)立運(yùn)行，不影響數(shù)據(jù)采集，提高了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可靠性。

3 高速數(shù)據(jù)采集軟件

高速數(shù)據(jù)采集軟件功能獨(dú)立，對試件瞬時溫度進(jìn)行測量，可以完成鉑電阻、熱電偶、熱流計(jì)等多種信號的測量、處理及顯示。

3.1 開發(fā)環(huán)境

軟件開發(fā)平臺使用LabVIEW，系統(tǒng)操作平臺為Windows 7專業(yè)版，系統(tǒng)運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)平臺為真空熱試驗(yàn)測量和熱流模擬系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺。

LabVIEW軟件是NI公司推出的虛擬儀器開發(fā)工具，廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、儀器控制、數(shù)據(jù)采集及處理等領(lǐng)域，與硬件廠家統(tǒng)一，硬件驅(qū)動配置簡單、編程方便、縮短軟件開發(fā)和調(diào)試周期[4]。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

測量計(jì)算機(jī)與測量儀器通過LAN方式進(jìn)行連接。測量軟件通過LAN接口發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對數(shù)字測量儀器的驅(qū)動，同時讀取測量通道的電壓或電阻值，經(jīng)過擬合公式計(jì)算出各測量點(diǎn)的溫度值。數(shù)據(jù)以表格的方式顯示在軟件界面上，并保存在本地計(jì)算機(jī)和服務(wù)器中。數(shù)據(jù)采集軟件流程如圖3所示。

原有的數(shù)據(jù)采集模塊是在每周期數(shù)據(jù)采集擬合完成后進(jìn)行一次數(shù)據(jù)保存，這種方式不能充分利用系統(tǒng)資源，進(jìn)行低采樣率的采集任務(wù)是不會有太大影響，但是進(jìn)行采樣率大幅度提升、多通道的同步采集任務(wù)時，文件存儲速度會對采樣的周期可定時造成一定程度的影響。新的采集單元采用雙線程工作，如圖4所示，一個線程將采集卡緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)放入事先向系統(tǒng)申請好的循環(huán)隊(duì)列中，另一個線程將循環(huán)隊(duì)列中的數(shù)據(jù)取出并寫入本地文件，這樣可以實(shí)現(xiàn)精確采樣定時，每個線程獨(dú)立占用一個CPU核心。這種方式可高效利用系統(tǒng)資源，適用于高采樣率、多通道的同步采集工作[5]。

圖3 數(shù)據(jù)采集軟件流程圖Fig.3 Software flow chart of data acquisition

圖4 雙線程工作示意圖Fig.4 Dual-thread working diagram

4 運(yùn)行效果

該系統(tǒng)現(xiàn)已在多個試驗(yàn)中進(jìn)行了部署，溫度數(shù)據(jù)采集如圖5所示，采集速度明顯優(yōu)于原有的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采樣頻率設(shè)置為20 Hz，可以對迅速變化的溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，可以滿足高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求。

圖5 溫度數(shù)據(jù)采集運(yùn)行圖Fig.5 Temperature date acquisition operation diagram

5 結(jié)論

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為真空熱試驗(yàn)的重要分系統(tǒng)，具有測量數(shù)據(jù)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)量大、測試信號形式多樣、數(shù)據(jù)精度要求高等特點(diǎn)。運(yùn)用PXIe高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在真空熱試驗(yàn)中，該方法滿足數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上，同時實(shí)現(xiàn)了對被測試驗(yàn)件瞬時溫度的測量，可以更準(zhǔn)確的反應(yīng)時間的熱特性。該系統(tǒng)經(jīng)過多臺設(shè)備的多次試驗(yàn)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。