劉小杰，杜永清

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

基于LabVIEW的調(diào)節(jié)器低溫動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉小杰，杜永清

（西安航天動(dòng)力研究所，陜西西安710100）

流量調(diào)節(jié)器是液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵的自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置，其動(dòng)態(tài)性能直接影響發(fā)生器乃至發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性。為進(jìn)一步驗(yàn)證流量調(diào)節(jié)器工作可靠性，設(shè)計(jì)并集成了調(diào)節(jié)器低溫動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)量硬件基于PXI系統(tǒng)搭建，軟件基于LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行編程。首先介紹了測(cè)量系統(tǒng)的總體方案及工作原理，然后對(duì)熱電偶測(cè)量方法、硬件選型、軟件總體架構(gòu)、軟件子模塊設(shè)計(jì)及拖拽式數(shù)據(jù)顯示方法進(jìn)行了重點(diǎn)闡述，最后簡(jiǎn)要說(shuō)明了測(cè)量系統(tǒng)的調(diào)試方法及結(jié)果。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)量系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，能滿足試驗(yàn)要求。

流量調(diào)節(jié)器；低溫動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)；測(cè)量系統(tǒng)；PXI；LabVIEW

0 引言

調(diào)節(jié)器是發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)工況轉(zhuǎn)換、保持推力穩(wěn)定的關(guān)鍵組件，其工作可靠性直接關(guān)系到發(fā)動(dòng)機(jī)的工作可靠性［1-2］。

為了進(jìn)一步提高動(dòng)力系統(tǒng)的工作可靠性，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期貯存或延遲發(fā)射時(shí)，調(diào)節(jié)器內(nèi)部的非金屬密封件長(zhǎng)時(shí)間浸泡在煤油中，可能導(dǎo)致非金屬密封材料失去密封作用、調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)級(jí)卡滯或調(diào)節(jié)器無(wú)法完成轉(zhuǎn)級(jí)過(guò)程。因此，有必要建設(shè)調(diào)節(jié)器低溫動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱試驗(yàn)臺(tái)），開(kāi)展調(diào)節(jié)器可靠性方面的試驗(yàn)研究及驗(yàn)證工作。

1 試驗(yàn)臺(tái)功用及組成

試驗(yàn)臺(tái)用于研究流量調(diào)節(jié)器在低溫煤油環(huán)境下的動(dòng)態(tài)性能，確定其容許的邊界工作條件。試驗(yàn)臺(tái)主要由低溫供應(yīng)系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、試驗(yàn)控制系統(tǒng)、指令氣系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)及調(diào)節(jié)器測(cè)控儀6部分組成，其中低溫供應(yīng)系統(tǒng)用于提供滿足試驗(yàn)要求的低溫試驗(yàn)介質(zhì)；回收系統(tǒng)用于對(duì)介質(zhì)進(jìn)行流量測(cè)量并回收；試驗(yàn)控制系統(tǒng)用于對(duì)試驗(yàn)臺(tái)中安裝的所有氣動(dòng)閥門(mén)和電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)參數(shù)的調(diào)節(jié)功能；指令氣系統(tǒng)用于試驗(yàn)臺(tái)氣源供應(yīng)和控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的自動(dòng)調(diào)節(jié)；測(cè)量系統(tǒng)用于完成溫度、壓力、流量、轉(zhuǎn)級(jí)時(shí)間等系統(tǒng)參數(shù)的實(shí)時(shí)采集、換算、顯示及存儲(chǔ)工作；調(diào)節(jié)器測(cè)控儀用于控制調(diào)節(jié)器并鎖定電機(jī)角度，控制電機(jī)以任意角度調(diào)節(jié)。試驗(yàn)臺(tái)原理如圖1所示。以下重點(diǎn)討論試驗(yàn)臺(tái)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、集成與調(diào)試。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)組成示意圖Fig.1 Schematic diagram for composition of test bench

2 測(cè)量系統(tǒng)要求

測(cè)量系統(tǒng)作為試驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵設(shè)備，其性能高低直接影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)臺(tái)對(duì)測(cè)量系統(tǒng)提出以下要求：

·測(cè)量精度：≤0.2%（F·S）；

·采樣率：＞1 kS/s；

·測(cè)量軟件具有通道配置、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析等功能，配置靈活、操作方便；

·測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)安全性高，人機(jī)界面友好，易操作且可擴(kuò)展。

3 測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)良、配置靈活的設(shè)計(jì)目標(biāo)，測(cè)量系統(tǒng)基于PXI硬件與LabVIEW軟件構(gòu)建。PXI較PCI有更好的集成性和可靠性；LabVIEW圖形化的編程方法更易于快速搭建測(cè)量軟件。

如圖2所示，測(cè)量系統(tǒng)由傳感器、機(jī)柜、計(jì)算機(jī)及軟件4部分組成。PXI架構(gòu)的測(cè)量系統(tǒng)在總體結(jié)構(gòu)上有兩種選擇：一類(lèi)是采用嵌入式計(jì)算機(jī)，安裝于PXI機(jī)箱內(nèi)，具有體積小、集成度高的特點(diǎn)；另一類(lèi)是采用普通計(jì)算機(jī)，通過(guò)PXIPCI控制卡與PXI機(jī)箱交換數(shù)據(jù)，可以認(rèn)為PXI設(shè)備是計(jì)算機(jī)內(nèi)的1個(gè)PCI設(shè)備。本文采用第2種方案，即遠(yuǎn)程PC控制PXI設(shè)備的架構(gòu)模式，在便于計(jì)算機(jī)升級(jí)與維護(hù)的同時(shí)，也在一定程度上實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制功能。

信號(hào)調(diào)理選用DATAFOUTH公司的SCM5B系列調(diào)理模塊，載板選用SCMPB01-1，即1個(gè)載板將16路輸出信號(hào)并聯(lián)同步傳輸?shù)讲杉蹇?，同時(shí)為每個(gè)模塊提供+5V的直流激勵(lì)電壓。由于載板的信號(hào)輸出接口和采集卡的信號(hào)輸入電纜都為單根多芯形式，故采用自行加工的信號(hào)轉(zhuǎn)接板將信號(hào)傳輸給采集卡，若采用與采集卡配套的接線端子盒（SCB-68A等），在增加成本的同時(shí)也帶來(lái)了部分接線工作。

至此，測(cè)量系統(tǒng)的工作原理如下，傳感器將測(cè)量到的壓力、流量及溫度等信號(hào)傳遞給信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行信號(hào)隔離、放大、濾波及轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)在數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換，計(jì)算機(jī)通過(guò)測(cè)量軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、顯示及存儲(chǔ)工作。試驗(yàn)結(jié)束后由分析軟件完成曲線回放與分析，同時(shí)具備數(shù)據(jù)導(dǎo)出功能。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of measuring system

3.2 溫度測(cè)量方法及調(diào)理模塊選擇

前端傳感器的信號(hào)輸出形式會(huì)影響測(cè)量方法及調(diào)理模塊的選擇。當(dāng)前，常用的測(cè)溫傳感器有熱電偶及熱電阻2類(lèi)。由于熱電偶的測(cè)溫范圍大、響應(yīng)速度快，被廣泛應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)地面試驗(yàn)中。本試驗(yàn)臺(tái)選擇熱電偶作為溫度傳感器。

熱電偶輸出為毫伏電壓信號(hào)，電動(dòng)勢(shì)由測(cè)量端與參考端的溫度差引起。在工程應(yīng)用中，很難將熱電偶的參考端溫度穩(wěn)定在0℃，因此涉及溫度補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。

具體到5B調(diào)理模塊的選型中，有以下2種方案：一種是直接選擇熱電偶調(diào)理模塊，利用載板上自帶的溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償；另一種是選擇毫伏電壓模塊測(cè)量熱電偶輸出信號(hào)，通過(guò)溫度變送器測(cè)量溫度相對(duì)恒定的參考端溫度（可補(bǔ)償所有熱電偶通道），在測(cè)量軟件內(nèi)計(jì)算出熱電偶測(cè)量端的真實(shí)溫度。

兩類(lèi)方法的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表1所示。方案1的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)集成簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是某一類(lèi)型的調(diào)理模塊只能測(cè)量對(duì)應(yīng)類(lèi)型的熱電偶；方案2可以使單個(gè)調(diào)理模塊連接不同類(lèi)型的熱電偶傳感器，缺點(diǎn)是軟件編程難度增加。本文選擇第2種方法。實(shí)現(xiàn)方法見(jiàn)圖3。

表1 2種溫度測(cè)量方法對(duì)比表Tab.1 Comparison table of two temperature measuring methods

圖3 毫伏電壓模塊溫度測(cè)量方法簡(jiǎn)圖Fig.3 Diagram of temperature measuring method for millivolt voltage module

3.3 硬件選型

根據(jù)以上分析結(jié)果，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)主要硬件進(jìn)行選型，選型結(jié)果如表2所示。

表2 測(cè)量系統(tǒng)主要硬件選型表Tab.2 Selection for main hardwares of measurement system

4 測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件總體設(shè)計(jì)

測(cè)量軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由通道設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析及通道校準(zhǔn)4個(gè)功能模塊組成，其中通道設(shè)置模塊與數(shù)據(jù)采集模塊之間是順序結(jié)構(gòu)，軟件流程圖如圖4所示。軟件的總體結(jié)構(gòu)位于登陸界面后面板，用于檢測(cè)用戶操作，進(jìn)入相應(yīng)的子模塊。軟件功能可采用“循環(huán)-事件結(jié)構(gòu)”或“循環(huán)-條件結(jié)構(gòu)”實(shí)現(xiàn)。本軟件采用“循環(huán)-事件結(jié)構(gòu)”，程序框圖如圖5所示，當(dāng)執(zhí)行觸發(fā)事件時(shí)，首先隱藏當(dāng)前登陸界面，然后進(jìn)入對(duì)應(yīng)子模塊。

4.2 通道設(shè)置模塊設(shè)計(jì)

通道設(shè)置模塊的功能是：呈現(xiàn)給用戶一個(gè)友好的界面，在此用戶可以查看或配置測(cè)量通道及傳感器的參數(shù)信息，包括通道是否啟用、測(cè)點(diǎn)名稱、換算系數(shù)、報(bào)警限及傳感器類(lèi)型等參數(shù)。通道設(shè)置模塊的運(yùn)行流程是：讀取配置文件并顯示，用戶對(duì)參數(shù)進(jìn)行查看或設(shè)置，當(dāng)需要進(jìn)入試驗(yàn)界面時(shí)，保存參數(shù)配置并以數(shù)組及簇的形式將參數(shù)傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊。通道設(shè)置界面如圖6所示。

圖4 軟件流程框圖Fig.4 Flow chat of software

圖5 登陸界面程序框圖Fig.5 Program diagram of login interface

圖6 通道配置界面Fig.6 Channel configuration interface

通道設(shè)置模塊的程序框圖總體是1個(gè)順序結(jié)構(gòu)，第1幀讀取配置文件，將配置內(nèi)容顯示在多列列表框內(nèi)；第2幀由1個(gè)循環(huán)-事件結(jié)構(gòu)及1個(gè)While循環(huán)結(jié)構(gòu)組成，前者用于響應(yīng)用戶界面操作，實(shí)時(shí)將用戶對(duì)配置信息的修改反應(yīng)在多列列表框上，后者用于實(shí)時(shí)刷新各通道的換算值，方便用戶配置通道；第3幀為條件判斷結(jié)構(gòu)，當(dāng)用戶選擇進(jìn)入數(shù)據(jù)采集界面時(shí)，軟件將從全局通道中檢索出本次啟用的測(cè)量通道，創(chuàng)建DAQmx采集任務(wù)數(shù)組，同時(shí)將啟用的測(cè)量通道信息以2維數(shù)組的形式傳遞給數(shù)據(jù)采集模塊，用于數(shù)據(jù)計(jì)算及報(bào)警判斷等功能。子VI之間的參數(shù)傳遞盡量采用數(shù)組或簇的形式，不但可以減少連線數(shù)量，增強(qiáng)程序的可讀性，還可以起到優(yōu)化程序結(jié)構(gòu)的作用。

4.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集模塊依據(jù)通道設(shè)置模塊傳遞的參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、顯示及存儲(chǔ)功能。數(shù)據(jù)采集采用“生產(chǎn)者-消費(fèi)者”模型，即1個(gè)While循環(huán)作為生產(chǎn)者，利用DAQmx讀取函數(shù)不斷的從任務(wù)通道中讀取數(shù)據(jù)放入隊(duì)列中，另1個(gè)While循環(huán)作為消費(fèi)者，依次從隊(duì)列中取出數(shù)據(jù)進(jìn)行換算、存儲(chǔ)、顯示等操作。這里采用隊(duì)列作為緩存，也可以使用其他方式如數(shù)組作為數(shù)據(jù)緩存。

為了提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度，同時(shí)便于試后的數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用如下方法：開(kāi)始記錄后，將換算值連同對(duì)應(yīng)的時(shí)間列不斷寫(xiě)入二進(jìn)制文件中；在結(jié)束數(shù)據(jù)記錄時(shí)，將本次試驗(yàn)的通道配置信息以文本格式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一起保存，即每次記錄產(chǎn)生兩個(gè)文件，二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件及配置文件。在數(shù)據(jù)分析模塊中，可利用配置文件將二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件翻譯成標(biāo)準(zhǔn)文本格式。

4.4 拖拽式數(shù)據(jù)顯示方法

數(shù)據(jù)顯示是數(shù)據(jù)采集模塊的基本功能。一般情況下，測(cè)點(diǎn)的數(shù)量是大于界面可顯示數(shù)量的，因此要求顯示測(cè)點(diǎn)可靈活配置。數(shù)據(jù)采集模塊前面板放置了1個(gè)簇控件（內(nèi)含18個(gè)數(shù)值型顯示控件）及2個(gè)波形圖表控件用于測(cè)點(diǎn)值的實(shí)時(shí)顯示。配置顯示測(cè)點(diǎn)的方法多種多樣，本軟件采用拖拽式方案。

如圖7所示，用戶只需從左側(cè)的測(cè)點(diǎn)列表（可隱藏）中，將需要顯示的測(cè)點(diǎn)名稱拖拽至顯示控件即可完成配置功能。實(shí)現(xiàn)方法可以分解為以下2個(gè)步驟：首先，生成本次試驗(yàn)的測(cè)點(diǎn)列表。依據(jù)通道設(shè)置模塊傳遞的參數(shù)，利用LabVIEW中的樹(shù)形控件生成測(cè)點(diǎn)列表，其父項(xiàng)定義為測(cè)點(diǎn)類(lèi)型，子項(xiàng)定義為測(cè)點(diǎn)名稱；其次，識(shí)別被拖拽的測(cè)點(diǎn)名稱，若放置成功，則修改顯示控件的屬性信息，同時(shí)根據(jù)被拖拽測(cè)點(diǎn)名稱及索引號(hào)從換算值數(shù)組中索引出正確的數(shù)值顯示在顯示控件內(nèi)，此處依靠“拖拽開(kāi)始”、“拖拽輸入”、“放置”3個(gè)事件結(jié)構(gòu)配合完成。

圖7 數(shù)據(jù)采集界面Fig.7 Data acquisition interface

5 調(diào)試與驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的功能與精度，在完成單元調(diào)試后，利用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源產(chǎn)生不同幅值及頻率（1 Hz，100 Hz，1 kHz）的方波或正弦波，通過(guò)軟件采集后，查看采集的數(shù)據(jù)能否完全復(fù)現(xiàn)信號(hào)源給出的信號(hào)。調(diào)試結(jié)果表明：測(cè)量精度優(yōu)于0.2%F.S，采樣率10次/秒～5000次/秒可調(diào)，測(cè)量系統(tǒng)滿足試驗(yàn)臺(tái)要求，運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)論

針對(duì)調(diào)節(jié)器低溫動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)的任務(wù)需求，詳細(xì)論述了測(cè)量系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)要點(diǎn)，測(cè)試表明，測(cè)量系統(tǒng)滿足試驗(yàn)臺(tái)對(duì)測(cè)量精度、采樣速率、可靠性及人機(jī)交互友好性等方面的要求，可以為流量調(diào)節(jié)器的性能驗(yàn)證及研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

參考資料：

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（編輯：陳紅霞）

Design of LabVIEW-based measuring system for cryogenic dynamic performance test bench for regulator

LIU Xiaojie，DU Yongqing
（Xi'an Aerospace Propulsion Institute，Xi'an 710100，China）

Flow regulator is a keyautomatic adjustment device of LOX/kerosene rocket engine.Its dynamic performance directly affects the working characteristics of engine and generator.To further verify the reliability of flow regulator，a measurement system for low temperature dynamic performance test bench for the regulator was designed and integrated.Its hardware is based on PXI system，and software is based on LabVIEW for programming.In this paper，the overall scheme and working principle of the measurement system are introduced，the thermocouple measuring method，hardware selection，software architecture，software sub-module design and dragging data display method are elaborated emphatically，and then the debugging method and results of the measuring system are described briefly.The test results show that the measuring system is stable and reliable，and can meet the test requirements.

flow regulator；low temperature dynamic performance test bench；measurement system；PXI；LabVIEW

V434-34

A

1672-9374（2016）05-0110-07

2015-07-30；

2016-01-05

劉小杰（1982—），男，工程師，研究領(lǐng)域?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)測(cè)控技術(shù)