基于LabVIEW的壓縮機熱態特性測試系統設計

王增麗, 李鳳迪, 王 皓, 李 強 , 馮全科

(1. 中國石油大學(華東)化學工程學院， 266580 青島； 2. 西安交通大學 能源與動力工程學院， 710049 西安)

在經濟全球化和工程技術人才國際化的驅動下,我國高等學校人才培養模式逐漸向國際通用的工程教育認證模式轉變[1-4],高校更加重視對學生創新精神、創新意識和創新能力的培養[5-7]。中國石油大學(華東)的過程裝備與控制工程專業已于2017年通過工程教育認證。該專業堅持過、裝、控“一體兩翼”的專業培養模式,進一步加強工科學生自主創新能力和工程實踐能力的培養。

“過程流體機械”課程是中國石油大學(華東)過程裝備與控制工程專業的核心專業課程。由于該課程具有應用性和實踐性強的特點,因此相關實驗教學對于提升學生實踐素質和自主創新能力非常重要。學校針對以往“過程流體機械”課程實驗教學內容陳舊且固定不變、教學方法落后的問題進行改革[8-13]。為了適應新工科建設及工程教育認證的要求,增加流體機械類課程實驗教學系統的開放性和可擴展性,以強化學生自主創新能力和工程實踐能力的培養,提高學生的協同合作意識。本文研究設計一個壓縮機熱態特性測試系統,以實現壓縮機負載狀態工作特性的測試。系統利用LabVIEW中的NI-DAQmx數據采集模塊完成測試數據的采集、存儲、修正處理及波形顯示,可用于多類型創新實驗,滿足工程教育認證及新工科建設對學生工程實踐能力及自主探索能力培養的需求。

1 測試系統總體設計

壓縮機熱態特性測試系統利用LabVIEW虛擬平臺中的NI-DAQmx數據采集模塊,實現不同壓力載荷和溫度載荷共同作用下相對運動部件的變形情況的測試,進而為壓縮機的設計提供更多的依據。容積式壓縮機種類很多,但熱態變形特性測試的方法基本相同。本文以單螺桿壓縮機為例進行測試系統的設計。

該測試系統測試的是壓縮機在壓力載荷和溫度載荷共同作用下相對運動部件的變形,并且需要連續、穩定地改變壓力和溫度進行測量。與傳統的性能測試試驗臺不同的是,該測試系統無需一個完整的壓縮機,并且不需要在操作工況下進行測試。主要利用箱體內的溫度和壓力變化來模擬實際的工作過程。實驗臺主體結構是一個箱體,內部安裝壓縮機的一對相對運動部件,配上增壓系統和升溫系統,并設置測點、布置傳感器,傳感器測出的數據通過數據采集卡將模擬信號轉化為數字信號,再導入到LabVIEW中進行數據的采集與處理。故設計了一個可以增壓和加熱并且密閉的箱體,里面放置安裝好的螺桿和星輪,由外電機驅動連續運轉。測試系統如圖1所示。

圖1 測試系統圖

為連續改變溫度和壓力并進行測量,測試系統的工藝流程設計主要是增壓過程和升溫過程的設計。增壓系統的氣體介質選用空氣,測試箱體通過增壓管路與空壓機連接,同時設置一個負反饋系統來控制測試箱體內的壓力。主要設備有增壓管路、閥門、空壓機、壓力表等,具體的控制過程如圖2所示。與增壓系統類似,升溫系統的控制也是負反饋控制,主要組成部件為可調節電加熱器、熱電偶溫度傳感器。控制過程的方框圖如圖3所示。

圖2 增壓系統方框圖

圖3 升溫系統方框圖

測試過程為：啟動空壓機給測試箱體升壓到指定的壓力,并通過壓力負反饋系統控制空壓機啟閉,保持壓力的穩定。啟動電壓熱器加熱到測試溫度,并通過溫度負反饋系統控制電加熱器以保持穩定的測試溫度。啟動電機,電機帶動嚙合副運動,模擬壓縮機輸送氣體的過程。對嚙合副變形的測試由電渦流傳感器實現,箱體的變形則通過應變片測試。電渦流傳感器及應變片輸出的電壓模擬信號經過數據采集卡轉化為數字信號,然后輸入計算機進行數據處理。因為需要分析不同溫度載荷及不同壓力載荷下嚙合副的變形情況,因此需要連續改變溫度和壓力進行測量,傳感器的位置由測試需要來確定。

本實驗改變了傳統的壓縮機性能測試系統采用常規儀器及人工采集數據的方法,改用計算機控制的測試系統,測試功能由虛擬儀器實現,突破了傳統儀器在數據處理、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[14]。

2 數據采集系統設計

數據采集系統的設計,是在LabVIEW軟件平臺上實現壓縮機相對運動部件熱態變形數據的采集、存儲、處理及顯示,并完成數據采集及處理的模擬。本測試系統選用NI公司的NI PCI-6221數據采集卡[15]。

單壓縮機熱態特性測試數據采集系統利用LabVIEW軟件平臺的優勢,采用結構化的設計和模塊化編程思想進行設計,其軟件結構如圖4所示。

圖4 測試系統軟件結構

2.1 數據采集模塊

數據采集(data acquisition,DAQ)是基于LabVIEW軟件所建立的數據采集系統或自動測控系統的重要功能之一。在壓縮機熱態特性測試系統中,數據采集模塊是系統的關鍵。

典型的基于PC的DAQ系統包括傳感器、信號調理模塊、數據采集、硬件設備以及安裝有DAQ 軟件的PC。

傳感器和信號調理模塊對于數據采集系統是不可缺少的設備,其主要功能是采集系統外部各種物理量并將其轉換為所需要的電信號,之后經信號調理電路對電信號進行放大,以便獲得與數據采集卡輸入范圍的匹配[15]。

數據采集卡的作用是將采集到的模擬信號轉換為數字信號,得到的數字信號進入后臺計算機分析處理后,最終以界面、圖形、聲音等方式實現人機交互功能。

本文中所設計的測試系統結構如圖5所示,其中各參數信號的測試過程在試驗臺上進行。當電機運轉穩定后,通過位移傳感器和應變片所測得的信號經過數據采集卡進入LabVIEW測試平臺,由設計的程序進行顯示、處理和分析。

圖5 單螺桿壓縮機嚙合測試系統硬件配置圖

2.2 主程序設計

主程序是由一個選項卡控件集成了數據模擬輸入控件、數據采集及存儲模塊、數據處理模塊而成的。該程序主要測試星輪齒側和螺桿齒槽側等壓縮機內部主要相對運動部件在不同壓力載荷和溫度載荷的形變情況,記錄測出的數據并進行保存。但是直接測得的數據并不能作為相對運動部件變形的依據,因為軸和箱體在壓力載荷和溫度載荷也會產生形變,而箱體的變形直接引起軸向位置的變化,所以需測出箱體和軸的變形需在數據處理中進行修正。

測試系統的前面板主體為選項卡控件,有4個按鈕分別對應數據輸入、數據采集及存儲、數據處理、停止按鈕等4個功能。通過總程序即可實現對測試系統的所有操作。選項卡內部分別為數據輸入參數設置面板、數據采集波形圖、數據處理后的波形圖,由這些圖可以清楚地看到被測點的變形情況。

圖6為總程序的后面板,也就是程序框圖面板。本程序采用了while循環、事件結構和條件結構,實現了在選項卡控件中對不同程序的調用。選項卡子控件采用事件結構,設置了4個事件,分別為數據輸入值改變、數據采集值改變、數據處理值改變、超時。創建選項卡控件的屬性節點,類型為值,分別在各自的事件結構中完成屬性節點的調用,創建布爾控件,其目的在于啟動數據結構,可以看作啟動按鈕。最后,在各個事件結構中添加各自的子程序,在前面板中相應的位置布置控件,并且添加各個事件結構的條件。

在該程序中,數據采集部分的程序十分重要,源程序也十分復雜。NI公司的數據采集卡集成了大部分子VI,運用NI采集卡時,直接利用NI-DAQmx驅動程序調用相關模塊VI完成相關的測試工作。

3 模擬數據測試

為檢驗該測試系統的有效性,選取標準信號源進行測試。利用DAQmx模塊中的模擬波形(正弦信號)作為輸入仿真信號。測試系統需要進行模擬輸入和模擬采集數據,以便驗證測試系統是否能夠工作。模擬得出的波形圖如圖7所示,輸入的8個信號源實時顯示且處于波動狀態,證明該系統能夠正確實現數據的采集、存儲和顯示。

利用該測試系統,可以實現不同類型壓縮機等流體機械相對運動部件熱態變形特性的測試。一方面,它可以改善“過程流體機械”課程實驗教學過程只能進行工作性能測試、不能實時顯示其相對運動部件熱態特性的缺點；另一方面,它改善了目前實驗系統開放性和可擴展性差的問題,可以為學生開展創新性實驗提供平臺,供學生進行自主設計實驗,選擇不同類型的壓縮機,進行熱態特性的模擬和測試。測試的結果能夠完整導出并進行分析,從而提高學生分析和解決工程實際問題的能力,對于提升學生的工程實踐能力和自主創新能力,保證工程教育認證工作及新工科建設工作的順利進行都具有積極的作用。

圖6 主程序后面板

圖7 模擬采集的信號波形

4 結語

壓縮機熱態特性測試系統實現了壓縮機負載狀態相對運動部件變形特征的測試。此外,在明確測試系統結構、合理選擇傳感器和數據采集卡等硬件的基礎上,采用LabVIEW軟件和配套的NI硬件設備及數據采集驅動NI-DAQmx設計的數據采集系統,實現了測試數據的采集、存儲、修正處理及波形顯示。實驗系統模塊化程度高、界面直觀、開放性和可擴展性較好,有助于學生創新性實驗的設計和開展,為傳統實驗教學方法提供補充,具有較高的教學實用性。