虛擬儀器技術在液體火箭發動機試驗穩態流量測量中的應用

李薇，丁博深

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

虛擬儀器技術是1997年由美國NI公司提的一種新的儀器總線標準PXI總線標準，用戶利用一些高性能的模塊化硬件結合軟件編程技術組成的儀器系統，可完成各種測試、測量和自動化的應用。在航天試驗測試系統中引入虛擬儀器，可實現對測量前端溫度、壓力、流量、液位等分系統的穩態數據采集、存儲和處理。本文所介紹的分節式電容液位計以及與之相匹配的二次儀表、NI數采設備和基于虛擬儀器的數據采集系統，已經應用于航天液體火箭發動機地面校準試驗的穩態流量測量中，并取得良好的測試結果。

1 穩態流量采集系統硬件組成及結構

1.1 穩態質量流量采集系統組成

穩態質量流量采集系統的硬件主要包括分節式電容液位計、電容變換儀、PXI-1052多插槽機箱，SCXI-1125信號調理板卡和PXI-6281采集板卡。采集系統結構如圖1所示。

圖1 穩態質量流量采集系統

在發動機試驗中，此系統可將分節式電容液位計的信號進行調理，通過數據線傳送到NI PXI-1052機箱采集板卡，通過由LabVIEW開發的軟件對信號進行處理和存儲。

1.2 系統各部分功能實現

（1）分節式電容液位計及二次儀表的工作原理。分節式電容液位計是穩態流量測量設備，它的出現從根本上改變了電容式液位計的測量原理，因為它不在以電容值的大小表示液位高度，而只是把他作為由液位變化到電量變化的媒介，所以，它不在受到普通電容液位計的各種誤差源影響，測量和指示精度很高，它為電容式液位計的應用開辟了一條新路。分節式電容液位計的兩個電極由內管和外管組成，外管是由若干節內外徑相同、相互絕緣的金屬短管組成，然后把這些短管的奇數節和偶數節分別連成一組，與內管構成兩個獨立的電容C1和電容C2，將這兩個電容作為電橋的相鄰兩橋臂進行比較測量。當液位下降時，將獲得連續的三角波形，通過對波形時間的測量，可以獲得液位下降速率或體積流量的數據，經過二次儀表后輸出電壓值波形如圖2所示。有了上述三角波峰值對應的貯箱體積和時間，就可以計算出任意時間內的平均流量，計算公式，見公式（1）。

圖2 分節式電容液位計輸出波形

式中，qv為低溫推進劑穩態體積流量；n1為t1時刻的波峰對應的節數；n2為t2時刻的波峰對應的節數；V(n1)為n1對應的體積；V(n2)為n2對應的體積。

（2）信號調理模塊。美國NI公司的SCXI信號調理模塊系統是一個用途廣、性能高的信號調理平臺。適用于多通道，封裝條件惡劣、并且對信號調理要求較高的應用系統。PXI-1052機箱的特點是結構緊湊、低噪聲，有8個卡槽，具有為調理模塊提供電源、信號傳輸、定時等功能。對于要求穩定性極高的數據采集系統，如穩態流量采集系統，SCXI信號調理模塊是一種可靠性極高的選擇。穩態流量采集系統所用到的SCXI-1125信號隔離模塊，可提供增益值為1～2000、可編程模擬濾波器在4Hz～10kHz，確保了系統的采集精準度和抗干擾能力。

（3）數據采集。利用NI公司高精度多功能M系列數據采集設備，實現穩態流量測量系統數據采集工作，PXI-6281采集板卡經優化可提供18位模擬輸入精度，多通道采樣率500kS/s，單通道采樣率為625kS/s，其可編程低通濾波器能降低高頻率噪聲并減少頻率混疊，可進行多通道掃描精準快速掃描。分辨率為16位，采用2個32位定時計數器，具有24路I/O數字觸發。運用NIMcal校準技術，測量精度得到顯著提升。

2 系統軟件開發

2.1 虛擬儀器在穩態流量采集系統中的應用優勢

圖3是一個典型的虛擬儀器測試系統，它由混合總線測量儀器及數據采集模塊、專用轉接及信號調理模塊、被測對象三大部分組成。信號調理模塊是連接前端傳感器和后端數據采集設備的中間環節。穩態流量測量系統，是一個典型的模擬信號采集、顯示、記錄系統，利用虛擬儀器的方便、快捷的界面以及簡單的編程方法，完全適合此套系統的開發。本測量系統采用NI公司的LabVIEW作為軟件開發環境，引入“軟件就是儀器”的設計思想，通過虛擬儀器這個可視化平臺，編輯采集軟件，通過LabVIEW平臺多種編程語言數據接口實現對VB、VC等編程語言的調用，可以大大提高工作效率，實現穩態流量數據后期處理工作。為了增加軟件的可靠性和可維護性，軟件采用了遞進式結構，將LabVIEW應用程序分為三個層次：第一層為主程序層，由用戶界面和測試執行部分構成；第二層是測試層；第三層是驅動層，負責與硬件設備進行通信。

圖3 虛擬儀器測試系統組成

2.2 采集程序的開發

（1）采集程序的開發。虛擬儀器設計的目的是編制相應的軟件，用軟件代替傳統儀器進行數據采集、傳輸、顯示、處理和存儲等功能。虛擬儀器前面板是在計算機屏幕上生成一個圖形用戶界面，用戶可以在前面板上設置控制按鈕和顯示窗口兩類對象，并可以通過開關和按鈕對虛擬儀器進行操作，圖4為低溫流量采集系統的前面板設計，低溫流量采集系統采用實時趨勢圖，來顯示穩態流量測量圖形的變化，生成的新數據連續出現在已形成數據的后面，波形連續向前逐步推進顯示。得到的測量數據可實時進行存儲，以便后期進行分析處理。

圖4 穩態流量采集系統的前面板

虛擬儀器后面板，是控件的源程序，可在流程圖中對控件進行編程，穩態流量測量系統的后面板設計，主要由數據采集單元、運算單元、顯示單元等組成，數據采集卡的采樣頻率設為1000Hz,數據采集通道選擇Aio輸入，數據采集（Data Acquisition-DAQ）系統的基本任務是產生或測量物理信號，NI公司生產了組建完整的DAQ系統所需的全部組件。LabVIEW的數據采集程序在完成顯示和采集功能的同時，也完成了對采集通道各種參數的配置功能。

（2）采集程序的組成。低溫流量數據采集系統主要包括：界面操作控制系統、數據曲線顯示系統、數據處理分析模塊。①界面操作控制系統。界面控制模塊包括界面開始采集按鈕，停止采集按鈕，結束按鈕、記錄按鈕，采集速率選擇、記錄文件路徑選擇等，而且對應按鈕操作，配有指示燈的亮、暗顯示，方便用戶了解系統工作情況。②數據曲線顯示系統。將穩態流量實時曲線顯示在系統界面上，可以變換曲線顯示的時間坐標軸，方便用戶對流量趨勢做出判斷。③數據處理分析模塊。當原始數據采集工作完成后，就可以進入數據處理模塊，通過此模塊，可以方便地得到穩態流量計算結果。

（3）數據處理模塊的開發。盡管LabVIEW的功能非常強大，但是有些時候還是需要調用其它應用程序來輔助其編程，這些調用程序極大的豐富了LabVIEW的功能，拓展了LabVIEW的使用范圍。數據處理模塊是利用LabVIEW應用程序的接口功能，調用了一段VB開發程序，該模塊的主要功能是載入指定的數據文件，并根據容器校驗表和啟動信號數據、對介質液面三角波信號數據進行分析和計算，輸出介質在指定時間段內的穩態體積流量。整個模塊程序框圖，如圖5。

圖5 數據處理軟件程序框圖

應用上述測試系統進行了液體火箭發動機試驗穩態流量采集計算工作。本系統在搭載試驗和試運行過程中，工作穩定、可靠，很好地完成了穩態流量的采集，計算工作。通過虛擬儀器在本套系統中的應用，增加了穩態流量測量系統的模塊化、智能化、提高了系統的先進性，提高了開發效率。在航天測試系統中引入虛擬儀器，對順利完成試驗，提高系統可靠性具有一定意義。

3 結語

應用本文研究設計的虛擬儀器系統進行了液體火箭發動機地面校準試驗中穩態流量的數據采集工作，經試驗數據分析結果表明，該系統測量準確度較高，抗干擾能力較強，很好的完成了國家重點型號發動機試驗的穩態質量流量測量工作。通過虛擬儀器在本系統中的應用，實現信號采集模塊化，集成化，簡化了編程人員通過各種編程語言對硬件操作，用軟件實現傳統儀器的數據采集、存儲和顯示功能。通過虛擬儀器這個可視化平臺，編輯采集軟件，通過LabVIEW平臺多種編程語言數據接口實現對VB、VC等編輯語言的調用，實現穩態質量流量數據后期處理工作，目前基于虛擬儀器的測試系統在航天測試工作中逐步成為主流。