基于LabVIEW的渦輪增壓器試驗臺測控系統的設計

劉小龍，張衛波

(福州大學機械工程及自動化學院，福建福州 350116)

渦輪增壓器試驗臺主要用于增壓器的性能測試［1］，用來測定增壓器在試驗過程中壓力、流量、溫度等參數量值．早期渦輪增壓器試驗臺的測試系統采用以單片機為核心的主控板控制A/D轉換板進行數據采集，試驗采樣率低、模塊劃分不細、終端太多且功能分散，此外其可移植性差、數據處理功能少，不能滿足現代測試系統的要求［2－4］．

本研究設計一種基于LabVIEW(laboratory virtual instrument engineering workbench)和PCI(peripheral component interconnect)的渦輪增壓器試驗臺測控系統，建立集信號采集、分析、存儲、顯示等功能為一體的增壓器性能測試系統．

1 增壓器性能試驗臺工作原理

依據 JB/T9752．2－2005相關規定［5］，試驗臺主要由空氣管路系統、風源系統、加熱系統、潤滑系統、測控系統及被測試渦輪增壓器組成［6］．羅茨風機、鋼管、波紋管、法蘭和電動蝶閥等組成管路系統，加熱系統采用SKBS－GSCY－20型高溫燃油燃燒器，測控系統由傳感器、數據采集卡、計算機等組成［7］．

圖1 增壓器性能試驗臺工作原理圖Fig．1 Turbocharger performance test bench working principle diagram

試驗臺工作原理如圖1所示．由羅茨風機提供的壓縮空氣經由2進入燃油燃燒器4，經過燃燒器加熱后進入渦輪端6的入口，高溫高壓燃氣驅動渦輪轉子轉動，渦輪轉子通過轉軸帶動8壓氣機端葉輪轉動，新鮮空氣經由9空氣濾清器，進入8入口，并通過8出口，此時，一部分空氣經過壓氣機放氣閥1排入大氣，另一部分空氣通過中冷器11回流進入8入口，進而提高增壓器壓氣機的性能．單向閥10是為了防止新鮮空氣流入循環管路，通過調節供油系統5油泵電機頻率控制供油量，通過調節電動閥門開度控制管道氣體流量．

2 測控系統軟硬件設計

2．1 測控系統的硬件構成

渦輪增壓器試驗臺測控系統硬件結構包括傳感器、數據采集卡、工控機，其中數據采集卡包含通訊線纜、PCI采集卡、接線盒端子，其硬件構成如圖2所示．

系統中的傳感器包括溫度傳感器、壓力傳感器及流量計，其中溫度傳感器采用熱電阻和熱電偶，分別用于測試渦輪進出口燃氣溫度和壓氣機進出口空氣溫度;壓力傳感器選用帶變送器的遠傳壓力表，其中壓氣機進口端采用YTY－150J絕對遠傳壓力表;流量計采用V錐流量計和渦街流量計，分別用于測試渦輪出口高溫氣體流量和壓氣機進口氣體流量，流量測試過程中應附加管道溫度及壓力補償，通過二次儀表輸出所需的質量流量．

圖2 試驗臺測控系統硬件結構Fig．2 Test bench measurement and control system hardware structure

轉速傳感器采用SMS12磁敏轉速傳感器，其非接觸式測量可測量轉速范圍為0～999 999 r·min－1，配套二次儀表SKY06－235－2，其中轉速表與計算機通過RS－232C串口通訊，并遵循Modbus協議．只需在LabVIEW上編程即可實現轉速在前面板的顯示．

數據采集卡采用NI公司M系列16位多功能帶隔離數據采集卡PCI－6238，其主要性能參數是:具有模擬輸入、模擬輸出、數字I/O及計時器/定時器功能，8個模擬輸入通道，2個模擬輸出通道，最大更新率500 ks·s－1，250 kHz的最大采樣率，電流輸入范圍DC±20 mA，電流輸出范圍DC±20 mA．

在PCI－6238的使用中，傳感器接線端子采用差分(differential)方式，目的是消除共模電壓對測量系統精度的影響，將測量信號與通道正負極相連，信號負極與AI GND相連，接線方式如圖3所示．

圖3 差分測量接線圖Fig．3 Differential measurement wiring diagram

2．2 測控系統軟件開發

渦輪增壓器試驗臺測控系統軟件設計，分為測試系統和控制系統兩部分．其中測試系統應用程序按功能劃分包括數據采集顯示、數據分析處理、數據保存;控制系統應用程序包括電動蝶閥開度控制、電機變頻控制．

2．2．1 數據采集顯示

圖4 數據采集前面板Fig．4 Data acquisition front panel

數據采集模塊主要是將各輸入通道的傳感器信號采集進入工控機［8］，主要包括選擇通道、信號輸入范圍、采樣模式、采樣頻率及各通道采樣數，數據采集前面板如圖4所示．本系統采用較為方便的DAQ助手實現數據采集過程，主要操作是:LabVIEW程序框圖面板＜測量I/O＜DAQmx數據采集＜DAQ助手＜采集信號＜模擬輸入＜電流＜物理通道選擇，之后選擇信號輸入范圍，此時傳感器信號為4～20 mA電流信號，故設置為4～20 mA，接線端配置選擇差分，采樣模式選擇N采樣，待讀取采樣數設為1 000個，采樣率設置為1 000 Hz．

2．2．2 數據保存

數據保存模塊是將經過采集處理之后的數據保存在文檔或者Excel表格當中，以供之后的數據分析處理［9］，其程序框圖如圖5所示(圖5以壓氣機出口壓力示例，若需增加測量參數，只需在DAQ助手中增加通道即可)．程序框圖中不同顏色表示不同數值類型，藍色表示無符號整數，橙色表示雙精度浮點，粉紅色表示字符串．

圖5 數據采集顯示及保存程序框圖Fig．5 Data acquisition display and save the program block diagram

由圖5可以看到，數據采集顯示保存程序大體分為6個步驟．①創建一個文件用來保存數據，由于LabVIEW中文件I/O中的寫入電子表格文件VI不能夠完全被Microsoft Excel識別，故采用新建一個容易被Excel識別的CSV文件;②創建模擬輸入通道，即DAQ助手;③設定采樣率、采樣時間、采樣方式;④設定CSV文件的一些屬性，包括表頭等信息;⑤DAQ助手輸出數據經過均值濾波(statistics vi)，將模擬電流信號轉換為測量信號，并顯示在波形圖表及數值顯示控件上;⑥將最終測得的測量數據(以壓氣機出口壓力為例)采用格式化寫入文件VI，經過數組至電子表格字符串轉換VI后保存為CSV文件．

2．2．3 數據分析處理

數據分析處理模塊，主要功能是將已經存儲好的Excel文件數據進行擬合分析，并最終顯示為渦輪增壓器性能曲線［10］．先調用文件I/O中的文件對話框VI，選擇之前存儲的Excel表格文件，對表格文件的數據進行讀取并排序，最終得到四組(對應4個不同轉速)XY一維數組數據，采用最小二乘法擬合VI對XY數組數據進行擬合，并用Express XY圖進行曲線輸出顯示，擬合出來的壓氣機性能曲線如圖6所示．

圖6中白、紅、綠、藍分別表示四種不同且逐漸增大的增壓器轉速(分別為60354、70250、80343、90379 r·min－1)．根據圖中曲線可以得出以下結論:①在轉速保持一定時，隨空氣流量的減少，壓比呈現先增加達到某一峰值，隨后緩慢下降;②在轉速保持一定時，當流量增加到一定值時，壓比和效率均急劇下降．

圖6 數據分析處理結果顯示Fig．6 Data analysis and processing according to the results

2．2．4 控制系統

程序主要包括電動閥門開度控制程序以及電機轉速變頻控制程序．由于PCI－6238數據采集卡的模擬輸出通道只能輸出4～20 mA電流信號，其對于電動蝶閥及變頻器控制類似，故在此以電動蝶閥開度控制程序為例．閥門開度調節程序如圖7所示．

圖7 閥門開度調節程序Fig．7 Valve opening adjustment program

圖中調用了DAQmx創建虛擬通道VI，設定通道為AO 0，在while循環內調用DAQmx寫入VI，由于輸入參數為閥門開度(kd，范圍0～100)，此時建立閥門開度與模擬輸出電流的線性函數關系，最終將公式節點輸出的電流信號寫入，這是由采集卡模擬輸出口向閥門電動執行器輸出信號，從而實現閥門開度控制．

3 結語

研究基于虛擬儀器技術下的渦輪增壓器性能試驗臺測控系統，利用PCI－6238數據采集卡在Lab-VIEW平臺下開發試驗臺數據采集系統與控制系統，能成功實現試驗臺數據采集、處理、顯示及保存，同時實現數據分析處理和試驗臺電動執行器的控制．與傳統試驗臺測控系統相比，該系統測量精度高、抗干擾能力強、通用性及可移植性強，此外其開發周期短，具有很高的實用價值．

［1］朱大鑫．渦輪增壓與渦輪增壓器［M］．北京:機械工業出版社，1992．

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［3］Pesiridis A，Martinez－Botas R F．Experimental evaluation of active flow control mixed－flow turbine for automotive turbocharger application［J］．Journal of Turbomachinery，2007，129(1):44 －52．

［4］Rad M，Hajilouy A，Shahhosseini M R．Evaluation of Imperial performance characteristic of turbocharger turbine and compressor［C］//9th AIAA/ASME Joint Thermophysics and Heat Transfer Conference．San Francisco:［s．n．］，2006．

［5］大連鐵道學院．簡易渦輪增壓器試驗臺:中國，CN2091359［P］．1991－12－02．

［6］鐵道部大連內燃機車研究所．廢氣渦輪增壓器節能式出廠試驗裝置:中國，CN2206955［P］．1994－07－29．

［7］北京理工大學．渦輪增壓器自循環低周疲勞試驗臺:中國，CN1793819［P］．2006－06－02．

［8］張虹，馬朝臣．渦輪增壓器壓氣機性能實驗CAI軟件的開發及應用［J］．實驗技術與管理，2001，18(3):41－44．

［9］張志強，馬朝臣，楊長茂．渦輪增壓器性能試驗臺數據采集及處理系統［J］．節能技術，2005，23(1):22－24．

［10］王紅蓮．基于虛擬儀器的相繼增壓熱動力試驗臺測控系統設計［D］．哈爾濱:哈爾濱工程大學，2009．