基于LabVIEW的定容弹压力采集系统设计.pdf

10.16638/ ki.1671-7988.2016.05.004 10.16638/ ki.1671-7988.2016.05.004 基于 LabVIEW 的定容弹压力采集系统设计 史程，王腾 （广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004） 摘 要：为了研究定容弹内环境背压对于发动机燃油喷雾特性和燃烧特性的影响，文章基于 LabVIEW 软件设计了 一套定容弹压力采集系统。该系统可根据定容弹体内环境背压的变化，进行实时显示与采集，数据存储和查询等功 能。既操作简便，又提高了数据的准确性，为试验研究奠定基础。 关键词：LabVIEW；定容弹；传感器；压力采集 中图分类号：TK402 文献标志码：A 文章编号：1671-7988(2016)05-65-03 Design of Pressure Acquisition System of Constant Volume Bomb Based on LabVIEW Shi Cheng, Wang Teng （College of Mechanical Engineering, Guangxi University, Guangxi Nanning 5300047） Abstract: In order to investigate the influence of back pressure on spray and combustion characteristics of desiel fuel.The article designed a set of pressure acquisition system of constant volume bomb based on LabVIEW. According to the back pressure of constant volume bomb changes, the system can real- timely achieve the following functions: display and acquisition, storage and inquiry of data.The handle of design is simple and the data of it is more accurate, it also offered the foundation of experiment. Keywords: LabVIEW; constant volume bomb; sensor; pressure acquisition CLC NO.: TK402 Document Code: A Article ID: 1671- 7988 (2016)05- 65- 03 前言 定容弹是研究内燃机工作过程中燃油喷雾和燃烧状态 的一种试验装置，模拟内燃机缸内真实的工况环境，而内燃 机的燃烧室是一个高温高压的环境，因此定容弹应设计具有 足够的强度和刚度，以承受一定的压力和温度要求。一般来 说，定容弹是一个开有抗高温高压玻璃窗口的可视化箱体装 置。当内燃机工作时，由于活塞运行处于上止点时可以认为 燃烧是定容膨胀，因而装置容积固定；箱体装置上加装喷油 器、火花塞等附件，当喷油器喷油或者火花塞点火燃烧时， 通过可视化窗口，配合高速摄影设备和纹影系统，即可记录 燃油喷雾和燃烧的状态。然而环境背压的变化对燃油喷雾特 性和燃烧特性的有着直接的影响，因此本文应用 LabVIEW 软件设计了定容弹压力采集系统，为发动机燃料喷雾和燃烧 过程的研究提供一定的参考和依据。 1、压力采集系统硬件组成 定容弹压力采集系统主要由压力传感器、电荷放大器、 数据采集卡和 PC 机等组成。压力传感器用来采集定容弹压 力； 电荷放大器是把压力传感器釆集到信号进行放大的同时， 并将其转变为对应的电压值；而数据采集卡进行 A/D 转换， 把采集的数据传输至 PC 机， 最后 PC 机通过 LabVIEIW 软件 进行数据的实时显示和处理。 1.1 压力传感器 压力传感器安装在定容燃烧弹内，与高温高压油气混合 物直接接触，所以要具备高压高温下有稳定的精度，较高的 作者简介：史程，作者简介：史程，硕士研究生，就职于广西大学机械工程学院。研 究方向：内燃机燃烧与光学测试。 史程史程 等：基于等：基于 LabVIEW 的定容弹压力采集系统设计的定容弹压力采集系统设计 66 2016 年第 5 期 2016 年第 5 期 灵敏度，耐油腐蚀，体积小和寿命长等特点。因此本系统选 用了 KISTLER 公司生产的 6052C- U20 石英压电式传感器。 该传感器即使在高负荷下也可以满足精密测试的技术要求， 应用内置的与大地绝缘设计，很大程度上避免了电子干扰的 影响；而且传感器的温度稳定性较好，灵敏度高，以有限元 方法优化设计的膜片能够减小热冲击，保证了传感器能够精 确 的 获 得 热 力 学 信 号 。 传 感 器 经 过 标 定 后 精 度 为 18.89PC/bar，适用于 0- 200bar 范围内的压力测试。表 1 示出 压力传感器技术参数。 表 1 传感器技术参数 技术指标 数值 单位 压力范围 0- 250 Bar 过载 300 Bar 重量 30 Gram 固有频率 160 KHz 实验过程中，为了将压力传感器安置在定容燃烧弹内， 保证其气密性与工作可靠性，我们设计了一个安装套筒，先 将压力传感器拧紧在套筒之中， 再将套筒与定容燃烧弹旋紧。 实验结束后只需将套筒旋开取下，这样避免了经常旋拧压力 传感器， 防止其精密螺纹滑丝。 套筒的设计尺寸如图 1 所示。 图 1 套筒设计尺寸 1.2 电荷放大器 由于定容弹内压力传感器产生的电荷信号非常微弱， 无 法直接被采集到，因此要通过电荷放大器将信号进行放大， 其基本作用有： 1）放大，将压力传感器输出的微弱电荷信号进行放大。 2）转换，将非电压输出信号转换为电压信号，同时对 压力传感器的高阻抗输出转化成为低阻抗输出。 3）滤波，限制信号的最高频率或最低频率，有效地滤 除高频或低频干扰。 本实验使用的是 KISTLER 公司生产的 5018A1003 型电 荷放大器。电荷放大器在实际使用过程中遇到的首要问题便 是信号干扰，主要为电磁干扰和大地回路干扰。电荷放大器 处于电磁环境中工作就会有电磁干扰，一般使用屏蔽电缆来 解决， 另外尽量不要将数据传输线与强电流电线平放。 另外， 电缆过长也会引入电缆固有噪声和机械噪声，所以实验中电 缆线应尽量短。 实验开始前需对电荷放大器参数进行设置，电荷放大器 共有三个量程（RANGE）可供选择：0100bar、0200bar、 0300bar。本系统选用 0100bar 量程，实验中高压氮气瓶对 定容弹增加背压，最大环境背压可达到 50Bar，此量程足以 保证实验要求。量程设置好之后，电荷放大器会自动选择相 应的灵敏度系数(SENSITIVITY CHARGE)。最后，要设置电 荷放大器工作模式。由于容弹使用氮气瓶加压，以及喷油器 喷油过程中，定容燃烧弹内压力变化可视为准静态过程，因 此我们设置工作模式为 DC（Long）模式。 1.3 数据采集卡 数据采集卡的作用是把压力传感器感知的模拟信号转化 为计算机可以识别的数字信号，主要从釆集卡的最高釆样频 率、采集卡的通道数以及釆集卡的 A/D、D/A 转化精度等方 面对采集卡进行选择。本系统采用的是北京双诺公司 MP422E 型数据采集卡，其主要由 A/D 采集模块、信号放大 模块、多路开关模块和计数器模块组成。本系统主要应用的 是数据采集卡的 A/D 数据采集模块。 首先，在定容燃烧弹中，研究不同环境压力对于喷油器 喷雾形状的影响，我们所用喷油器的喷油脉宽为 0.82.5ms， 即喷油器每次喷油持续时间为 0.82.5ms； 而 MP422E 数据采 集卡最高采样频率为 400KHz，即每间隔 2.5 us 可以采样一 个压力数据。所以，在一个喷油脉宽的时间内，数据采集卡 最多可以获取 2.5ms/2.5us=1000 个压力数据，采集卡的釆样 频率足以满足实验要求。其次，MP422E 数据采集卡具有 16 单端输入或 8 路差分输入通道，本系统的压力采集只用了其 中一路通道，其他通道可作为今后系统升级、功能扩展的保 留通道。 2、压力采集系统软件设计 2.1 LabVIEW 软件程序 系统所采用的数据采集卡己经附带驱动程序，只要能够 正确调用这些驱动程序，就可以实现我们所需要的功能，驱 动程序的调用过程介绍如下： 1）打开设备函数调用，如图 2 所示。调用本函数用来 打开设备，并获得操作句柄（hDevice） 。设备打开后才能进 行相关的数据输入和输出操作。 图 2 打开设备函数调用 2）图 3 示出了 A/D 采样函数调用。调用本函数主要是 为了对数据采集卡中的参数进行设置。 汽车实用技术汽车实用技术 67 2016 年第 5 期 2016 年第 5 期 图 3 A/D 采样函数调用 3）采样数据 A/D 长度和 A/D 回读函数的调用见图 4。 采样数据A/D长度函数用来读取采集卡缓存里面的数据的个 数， A/D 回读函数则是用来将采集卡缓存中的数据读取出来， 便于计算机对数据进行处理。 图 4 采样数据 A/D 长度和 A/D 回读函数调用 4）关闭设备函数调用（图 5 所示） 。实验结束后，调用 本函数用来关闭设备。 图 5 关闭设备函数调用 2.2 界面设计 本系统的界面主要分为三大模块： 采集卡参数设置模块、 电压显示模块以及压力显示模块，如图 6 所示。上方为采集 卡参数设置模块，用来设置采集卡的采样频率、采样通道等 参数， 同时控制采集卡的开启和关闭。 左下为电压显示模块， 实时显示电荷放大器电压值以及绘制曲线图，每 5ms 绘制一 个电压值点。右下为压力显示模块，实时显示定容弹内压力 值以及绘制曲线图，每 1ms 绘制一个电压值点。 图 6 压力采集系统软件界面示意 3、结语 为了研究在定容弹中， 不同背压下燃油的喷雾和燃烧形 态，本文基于 LabVIEW 设计了一套由硬件和软件两部分组 成的压力采集系统。 硬件部分包括压力传感器、 电荷放大器、 数据采集卡、PC 机，可以对定容弹中压力信号进行采集，放 大，滤波；软件部分包括数据采集卡驱动模块、压力数据处 理、显示、储存模块等，这些模块可以实现对定容弹中压力 信号的实时显示和记录，有助于不同背压下喷雾形状和火焰 燃烧的分析。但仍有不足之处，若在燃油燃烧过程中，定容 弹内压力会有高频波动， 而采集系统则处于准静态工作模式， 导致所测结果不准确。今后将进一步完善系统，要对系统中 电荷放大器、数据采集卡等参数进行相应的调