活塞壓縮機性能虛擬測試系統的研制

樊瑞筱，叢 蕊，付觀木，張 弛，朱永嘉

（東北石油大學 機械科學與工程學院，黑龍江 大慶 163318）

在傳統的容積式壓縮機性能測試中，采用常規指示儀表和測試設備，由人工調節壓縮機的參數，達到容積式壓縮機驗收試驗國家標準規定的各項指標值后，進行壓縮機十多個參數的人工觀測抄錄，再按國標GB/T-3853《容積式壓縮機驗收試驗》要求進行查表計算等數據處理[1]，最后得到壓縮機的性能參數。此方法耗時較長，測試效率低。為了改善測試手段，提高測試效率和精度，發展基于計算機的壓縮機性能自動測試技術成為必然。

虛擬儀器，就是在以通用計算機為核心的硬件平臺上，由用戶設計定義，具有虛擬面板，測試功能由測試軟件實現的一種計算機儀器系統[2]。虛擬儀器大大突破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，是全新概念的新一代測量儀器，是儀器產業發展的一個重要方向[3]。

依據國標要求結合活塞壓縮機的工作特點，采用串口通信將采集到的參數傳送至上位機，通過上位機中虛擬儀器設計的活塞壓縮機性能虛擬測試系統，自動實現活塞壓縮機性能的測試。

1 測試系統總體設計

壓縮機測試參數主要包括溫度、壓力、流量、轉速、濕度、電壓、電流、功率、扭矩等。按照國標中給出的測試方法，在壓縮機的特定部位安裝相應的傳感器，傳感器采集的信號經信號調理卡處理（信號隔離、濾波、放大及多路復用等）后轉變成數字信號[4]，該信號由數據采集卡采集并輸入計算機，再利用Lab-VIEW軟件結合Matlab實現各測試參數的計算分析。

壓縮機測試系統硬件采用PCI總線方案，測試系統的總體結構如圖1所示。

圖1 活塞壓縮機性能測試系統總體結構

測試系統前面板如圖2所示。

圖2 活塞壓縮機性能虛擬測試系統前面板

2 系統硬件設計

2.1 傳感器的選取

選用Pt100傳感器測量壓縮機吸入氣體和排出氣體的溫度，量程為-10～250℃，精度為±0.2℃。緩變的壓力信號采用壓力變送器采集。

緩沖罐閥前排氣壓力和大氣壓的測量采用ADS-805型壓力變送器測量，量程0～250 MPa、-100～0 kPa，工作補償溫度-10～70℃，綜合精度±0.1%。

噴嘴處排氣壓力采用ADS-809型壓力變送器測量，量程為 0～400 kPa、0.06～100 kPa，補償溫度 –10～70℃，綜合精度為0.5%，屬于差壓型測壓方式。

氣缸內快速變化的壓力信號，采用壓電壓力傳感器采集，量程為0～1.0 MPa，傳感器響應頻率為10 kHz以上。

流量測量采用國標GB15487-1995中規定的ASME噴嘴測量法測量，依此計算出壓縮機排氣量。

轉速測量采用CZF型位移傳感器，其工作原理是基于高頻磁場在金屬表面的“渦流效應”，線性誤差為0.5%～3.5%，分辨率為0.05%（靜態）、0.1%（動態），頻率響應為0～10 kHz。

2.2 信號調理和數據采集卡

選用凌華PCI 9812數據采集卡，該采集卡是4通道10位20 MS/s同步采樣模擬輸入卡，高速模擬輸入通道為單端，硬件可編程輸入范圍為±1 V、±5 V，板載32 k采樣點A/D FIFO緩存數據，除了40 MHz時鐘，用戶還可通過正弦波或數字形式來提供外部時鐘，觸發模式包括軟件觸發、預觸發、后觸發、中間觸發及延時觸發。根據信號輸出類型和要求的采樣頻率，采用適當的采集模塊和調理模塊完成數據采集[5]。

本次測試系統的信號調理部分，采用自制參數測試儀。測試儀的主要功能，包括供電和信號調理作用。

傳感器所得信號輸入參數測試儀，經過電橋的變換，將電阻信號轉變成電壓信號，電壓信號經過放大器放大后，進行阻抗變換，濾去交流成分和噪聲信號，接入數字表進行數字顯示，同時進行幅值調整后，送入數據采集卡進行A/D轉換，最后送給PC機進行數據采集處理和后處理。

3 軟件設計

系統應用軟件主要包括Lab VIEW 8.6版本、DAQ 8.0軟件、Microsoft Office軟件和Matlab軟件。

Lab VIEW主要用于數據采集、測試測量和數據的簡易分析；

Microsoft Office軟件用于狀態監測系統報表的生成、打印等，DAQ 8.0軟件主要管理監測系統的采集卡硬件；

Matlab軟件主要用于對后續數據的復雜分析。

由于系統設計采用模塊化和子VI調用方式進行，因此可迅速和方便對軟件進行修正和擴展，便于現場使用。

4 結束語

本文設計了一個操作簡單、界面友好的活塞壓縮機虛擬測試系統。該系統綜合應用了傳感器、信號調理、數據采集和Lab VIEW圖形化編程軟件開發等多種技術。

本文設計的虛擬測試系統，充分體現了虛擬儀器技術和Lab VIEW軟件在數據采集和信號分析與處理中的強大功能，可以廣泛用于測試測量領域，完成對信號的實時采集與處理。

[1]全國壓縮機標準化技術委員會.中國機械工業標準匯編·壓縮機卷[M].北京：中國標準出版社，2002.

[2]趙 闖.基于虛擬儀器的傳感器數據采集與處理系統[J].振動與沖擊，2009，（1）：48-49.

[3]牛群峰，王莉等.壓縮機性能測試與參數計算的虛擬儀器實現[J].電子測量技術，2008，31(7)：80-82.

[4]姜良銀，李明等.基于LabVIEW的地鐵空壓機測試系統設計[J].機械設計與制造，2011，（4）：60-62.

[5]謝 冰，陳昌鑫，等.基于LabVIEW的數據采集與信號處理系統設計[J].現代電子技術，2011，34(14)：174-177.