基于LabVIEW語言的虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

1、基于LabVIEW語言的虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究*張超凡 黃宏偉 劉宏杰 齊偉民/漯河職業(yè)技術(shù)學(xué)院 摘要: 介紹了風(fēng)壓自動(dòng)測試的原理和方法，并在此基礎(chǔ)上選擇了風(fēng)壓傳感器，搭建了風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)的硬件平臺，基于虛擬儀器語言LabVIEW構(gòu)建了測試系統(tǒng)軟件平臺。在風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)中證明該套虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對風(fēng)機(jī)壓力的自動(dòng)采集和處理，其測量數(shù)據(jù)可信，測量精度高。同時(shí)該套虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)存儲，具有用戶接口界面友好，操作方便，擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：風(fēng)機(jī) 壓力 虛擬儀器 自動(dòng)測試中圖分類號：TP216 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B文章編號：1006-8155（2007）03-0047

2、-03Design and Research on Automatic Measurement system for Virtual Fan Pressure Based on LabVIEW LanguaneAbstract: The method and principle of automatic measurement for fan pressure is introduced, which has been the basis of selecting sensor of fan pressure and establishing hardware terrace of autom

3、atic measurement system for fan pressure. And software terrace of measurement system based on virtual instrument language LabVIEW is established. It is proved in the performance test of fan that this system can collect and treat fan pressure automatically, and the measurement data is credible and hi

4、gh accuracy. This system can also save data automatically. It has the advantages of well interface, convenient operation and flexible expansion.Key words: fan pressure virtual instrument automatic measurement 0 引言目前，風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)特別是風(fēng)壓測量主要靠手工測量1，即采用皮托管和傾斜式微壓計(jì)人工測量動(dòng)壓和全壓，由于風(fēng)機(jī)流場十分復(fù)雜，傾斜式微壓計(jì)測量動(dòng)壓時(shí)常常會出現(xiàn)“脈動(dòng)”現(xiàn)象，所以采用人

5、工測量，存在著人為的讀數(shù)誤差和計(jì)數(shù)誤差且數(shù)據(jù)不能自動(dòng)存儲。20世紀(jì)90年代以來，美國國家儀器公司(National Instruments，簡稱NI)提出了“軟件就是儀器”這一虛擬儀器概念，它是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺上，利用計(jì)算機(jī)顯示器的顯示功能模擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的軟件功能實(shí)現(xiàn)信號數(shù)據(jù)的運(yùn)算、分析、處理，由I/O接口設(shè)備完成信號的調(diào)理、采集與測量，從而完成各種測試功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。這一概念為用戶定義、構(gòu)造自己的測試系統(tǒng)提供了完美的解決途徑。本文基于虛擬儀器語言LabVIEW開發(fā)出一套基于PC的虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)，現(xiàn)場試驗(yàn)證明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)中動(dòng)壓和

6、全壓的自動(dòng)采集和處理，同時(shí)該測試系統(tǒng)界面友好，擴(kuò)展靈活，操作方便，風(fēng)壓數(shù)據(jù)能夠自動(dòng)存儲。1 自動(dòng)測試系統(tǒng)硬件構(gòu)成虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)信號流程如圖1所示。_*基金項(xiàng)目：河南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（0311050500） 圖1 虛擬測試系統(tǒng)信號流程 基于PCI總線技術(shù)來組建虛擬儀器測試系統(tǒng)是現(xiàn)在比較流行的虛擬儀器系統(tǒng)構(gòu)建方式。這種方式借助于插入PC機(jī)或工控機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)采集卡完成測試任務(wù)。它充分利用計(jì)算機(jī)的總線、機(jī)箱、電源及系統(tǒng)軟件。該虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)就是基于PC機(jī)和內(nèi)置其PCI插槽中的高性能數(shù)據(jù)采集卡PCI-6204E設(shè)計(jì)。其中PCI-6204E是美國NI公司E系列12位精度數(shù)據(jù)采集卡

7、，最高采樣速率為20010次/s，它能完成信號采集和轉(zhuǎn)換(A/D),數(shù)字信號的模擬輸出(D/A)，以及定時(shí)計(jì)數(shù)功能，共有16個(gè)模擬量輸入通道，8位數(shù)字輸入輸出端口，2個(gè)24位計(jì)數(shù)器(用于計(jì)數(shù)和定時(shí)功能)；信號調(diào)理系統(tǒng)基于NI公司的SCXI(Signal Conditioning eXtensions for Instrumentation)信號調(diào)理器設(shè)計(jì)，其主要組成有信號調(diào)理機(jī)箱SCXI-1000DC，信號調(diào)理模塊SCXI-1520和前端接口模塊SCXI-1314構(gòu)成，硬件實(shí)物連接方式如圖2所示。1SCXI-1520信號調(diào)理模塊 2.傳感器輸出接口 3.SCXI-1314前端接口模塊 4SCX

8、I-1000DC信號調(diào)理機(jī)箱 圖2 信號調(diào)理器SCXI構(gòu)成 SCXI-1520是NI公司的8通道信號調(diào)理模塊，提供電流激勵(lì)、濾波與放大、應(yīng)變計(jì)組橋等功能，可以連接熱電阻應(yīng)變計(jì)和直流電壓信號等2，SCXI-1520信道之間具有SS/H功能(Simultaneous Sample and Hold，同時(shí)采樣保持)。前端接口模塊SCXI-1314是SCXI-1520信號前端接口。風(fēng)壓采集單元選用的是杭州燁立機(jī)電設(shè)備有限公司提供的YL-C風(fēng)壓變送器，該風(fēng)壓傳感器采用進(jìn)口擴(kuò)散硅材料設(shè)計(jì)，傳感器和放大電路集成封裝而成，具有滿量程0.5%的精度等級，壓力測試范圍是02000Pa。為了保證測量精度，除了選用高

9、精度的數(shù)據(jù)采集卡和傳感器外，系統(tǒng)在組網(wǎng)時(shí)從各個(gè)環(huán)節(jié)考慮了其抗干擾性，如數(shù)據(jù)輸入采用雙端差分輸入方式，消除其共模干擾等。系統(tǒng)工作時(shí)，YL-C風(fēng)壓變送器將來自皮托管的風(fēng)壓壓力轉(zhuǎn)換為與之成對應(yīng)線性關(guān)系的05V標(biāo)準(zhǔn)電壓信號，其壓電轉(zhuǎn)換系數(shù)是K400Pa/V。2 自動(dòng)測試系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)自動(dòng)測試系統(tǒng)程序基于LabVIEW語言開發(fā)設(shè)計(jì)3，由于LabVIEW針對數(shù)據(jù)采集、儀器控制和信號分析和數(shù)據(jù)處理等任務(wù)，提供豐富的功能圖標(biāo)和常用儀器的驅(qū)動(dòng)程序，這樣用戶只需直接調(diào)用即可，前面板采集與顯示部分設(shè)計(jì)如圖3所示。 圖3 前面板采集與顯示部分設(shè)計(jì) 后面板程序設(shè)計(jì)基本思想就是在采樣周期內(nèi)獲得風(fēng)壓的電壓值，然后乘以壓電轉(zhuǎn)換

10、系數(shù)K求出風(fēng)壓值。由于中級VI能夠保證程序在高速、高效運(yùn)行時(shí)，提供更多的出錯(cuò)處理和硬件設(shè)置功能，該虛擬測試程序采用帶有緩存的中級VI設(shè)計(jì)，其程序流程框圖如圖4所示。開始時(shí)首先設(shè)置采樣信道的平均點(diǎn)數(shù)的直接緩存區(qū)DMA(Direct Memory Access)。其中采樣頻率是1000次s，每次平均采樣點(diǎn)數(shù)1000點(diǎn)。用到的采集子VI主要有AI.START.VI，AI.CONFIG.VI，AI.READ.VI 和AI.CLEAR.VI等。AI.START.VI用來指定程序中開始采樣的那些設(shè)備和參數(shù)，如數(shù)據(jù)采集卡等，并以每秒1000次的采樣速率向緩存區(qū)讀入數(shù)據(jù)。AI.READ.VI從采樣緩存區(qū)讀取平

11、均后的采樣數(shù)值并按照通道定義地址輸出風(fēng)壓電壓值。每次采集完成后AI.CLEAR.VI用來清除對模擬輸入設(shè)備的設(shè)置并釋放分配的系統(tǒng)內(nèi)存資源，為了實(shí)時(shí)監(jiān)控同時(shí)為了保證程序嚴(yán)格按照所定義的虛擬通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，程序設(shè)有出錯(cuò)報(bào)警功能4。當(dāng)有錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)，顯示出錯(cuò)代碼并顯示錯(cuò)誤信息。測試時(shí)首先正確輸入虛擬采集通道，每次采集在雙層Case都沒有錯(cuò)誤的情況下輸出風(fēng)、壓電壓平均值，然后乘以風(fēng)壓電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)K，得出風(fēng)機(jī)風(fēng)壓值。Writecharacters to file.VI具有數(shù)據(jù)存儲功能，測試時(shí)風(fēng)壓自動(dòng)以text文本格式存儲在計(jì)算機(jī)硬盤上，數(shù)據(jù)基于Excel調(diào)用繪 制動(dòng)壓和全壓曲線十分方便。圖4 虛擬測試程

12、序流程圖3 測試檢驗(yàn)2006年6月，該虛擬風(fēng)機(jī)風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)成功應(yīng)用于4-72離心風(fēng)機(jī)的性能試驗(yàn)中。在不同工況下,其測量數(shù)據(jù)與DP-2000微壓計(jì)(精度0.5%)測量數(shù)據(jù)對比曲線如圖5和圖6所示(轉(zhuǎn)速n=760r/min)。由圖5和圖6看出，該套虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)具有很高的測量精度，其數(shù)值相對誤差小于0.5%。 圖5 同轉(zhuǎn)速異節(jié)流時(shí)所得動(dòng)壓對比曲線圖6 同轉(zhuǎn)速異節(jié)流時(shí)所得全壓對比曲線4 結(jié)論采用虛擬儀器語言LabVIEW開發(fā)的基于PC機(jī)的虛擬風(fēng)壓自動(dòng)測試系統(tǒng)，綜合運(yùn)用了傳感器技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)機(jī)風(fēng)壓的自動(dòng)采集和處理，與傳統(tǒng)的人工方式測量相比，不僅節(jié)省了人力，提高讀數(shù)精度,而且由于風(fēng)壓數(shù)據(jù)以text格式存儲，所以基于Excel或者M(jìn)atlab畫風(fēng)壓曲線會很方便，同時(shí)該測試系統(tǒng)適用范圍比較廣，只要是傳感器輸出(10V)與輸入成正比的線性傳感器，都可以用該系統(tǒng)進(jìn)行測量。參 考 文 獻(xiàn) 1 關(guān)貞珍，霍曉靜，劉亞瓊,等.風(fēng)機(jī)性