基于LabVIEW的動靜渦旋端面摩擦溫度測試系統(tǒng)

摘要：無油潤滑渦旋壓縮機(jī)動靜渦旋端面摩擦溫度是反映壓縮機(jī)工作性能的重要參數(shù)。為真實實現(xiàn)端面摩擦溫度的測量，采用了摩擦溫度信號的非接觸熱平衡測量方法，通過虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW及相關(guān)硬件產(chǎn)品，構(gòu)建動靜渦旋端面摩擦溫度測試系統(tǒng)，實現(xiàn)溫度信號的實時采集，提高了測量精度。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的信號采集系統(tǒng)，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有成本低廉，人機(jī)界面友好，開發(fā)周期短，數(shù)據(jù)處理簡單方便以及便于維護(hù)等優(yōu)點。這將對無油潤滑渦旋壓縮機(jī)動力學(xué)特性分析、理論設(shè)計和提高其性能等具有重要的意義。
關(guān)鍵詞：渦旋壓縮機(jī)；LabVIEW；摩擦溫度；信號采集

    渦旋壓縮機(jī)是一種新型容積式壓縮機(jī)，具有結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、效率高、可靠性高等特性，其應(yīng)用范圍目前已從制冷、動力工程向醫(yī)藥、食品、燃料電池等需求無油污染的潔凈壓縮氣體的領(lǐng)域拓展。渦旋壓縮機(jī)主要由動靜渦旋、曲軸、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支架組成。動渦旋在防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的約束下，由曲軸帶動相對靜渦旋作公轉(zhuǎn)平動。由于運轉(zhuǎn)過程中存在較多摩擦副，因此，實現(xiàn)無油潤滑，不同材料對偶摩擦副的摩擦溫度是研究的關(guān)鍵問題之一。摩擦副產(chǎn)生的熱量對壓縮機(jī)的性能和摩擦副的磨損、潤滑特性等都具有很大的影響，所以，對摩擦副的摩擦溫度的研究將對渦旋壓縮機(jī)的動力學(xué)特性分析、理論設(shè)計和提高其性能等具有重要的意義。
    本文基于虛擬儀器軟件開發(fā)平臺，借助其強(qiáng)大功能實現(xiàn)了動靜渦旋端而摩擦表面溫度信號的采集。LabVIEW (Laboratory Virtual Instr ument Engineer Workbench)是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱，具有直觀的前面板用戶界面和流程圖式的編程風(fēng)格，同時還具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、存貯打印等多種功能，是一個功能強(qiáng)大的圖形化軟件開發(fā)平臺。其插入式DAQ板、SCXI卡等硬件以程序模塊為基礎(chǔ)，精度高，穩(wěn)定性好，可以構(gòu)建性能優(yōu)良且廉價的測試系統(tǒng)。

1 渦旋端面摩擦副的結(jié)構(gòu)及溫度傳感器的安裝
    動靜渦旋端面摩擦副結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。將自潤滑材料鑲嵌在渦旋齒頂構(gòu)成動靜渦旋齒頂端面摩擦副，動渦旋盤在曲軸的驅(qū)動下作回轉(zhuǎn)平動，動、靜渦旋摩擦副在軸向力作用下緊密貼合，自潤滑材料在渦旋盤金屬材料表面生成一層自潤滑轉(zhuǎn)移膜，從而達(dá)到潤滑作用。由于受傳感器結(jié)構(gòu)的限制以及為便于傳感器的安裝對動靜渦旋盤進(jìn)行簡化，如圖2所示，本測試系統(tǒng)在靜渦盤上同一半徑圓周上均勻布置4個溫度傳感器。

2 系統(tǒng)測量原理
    由于摩擦表面的溫度梯發(fā)較大且是瞬時的，所以給測量表面溫度帶來了很大的困難。常見的摩擦表面溫度測量方法有氪化法、紅外測溫法、熱平衡法等。氪化法測溫只能事后推導(dǎo)表面所經(jīng)歷過的最高溫度而不能進(jìn)行動態(tài)測量；紅外測溫法要求探頭能直接看到摩擦表面，這對于非透明的摩擦材料是難以滿足的；用熱電偶法測量溫度屬于非接觸式測溫，它基于熱平衡的原理，利用傳感器的敏感元件與被測物體進(jìn)行熱交換，最后達(dá)到熱平衡。該測試系統(tǒng)采用非接觸熱平衡法測量摩擦表面的溫度。由熱電偶溫度傳感器的測溫原理知，一般情況下應(yīng)對熱電偶進(jìn)行冷端補(bǔ)償，即將其參考端設(shè)為0℃以保證測量溫度的正確性。該系統(tǒng)采用0 ℃恒溫器法，該裝置如圖3所示。將冰刨成屑狀和水混合放入保溫瓶內(nèi)，水面應(yīng)略低于冰面，并將冰壓緊。0℃恒溫器法是一種精度很高的參考端溫度處理的方法適用于精密溫度測量，可使參考端的誤差到達(dá)可以忽略的程度。

3 采集系統(tǒng)的構(gòu)成
    信號采集系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機(jī)等部分組成。圖4為采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)據(jù)采集硬件的選擇需根據(jù)具體的應(yīng)用場合和現(xiàn)有的技術(shù)資源確定，由于本采集系統(tǒng)的應(yīng)用場合為實驗室，所以對采集系統(tǒng)硬件的要求較高。
3．1 傳感器
    傳感器選用熱電偶式溫度傳感器，該系統(tǒng)采用北京國電中自電氣有限公司的活動螺釘式熱電偶，型號為：CA1D-2M6，分度號為K，測量范圍為-40～300℃。其突出特點是：溫度與熱電勢呈線性關(guān)系，靈敏度較高，抗干擾能力強(qiáng)，性價比高，活動螺釘式熱電偶為螺絲式樣．可以方便的固定在物體上。
3．2 數(shù)據(jù)采集卡
    數(shù)據(jù)采集卡，使用National Instrument公司的插卡式數(shù)據(jù)采集卡PCI-6221，LabVIEW軟件具有專門的函數(shù)庫可對該卡進(jìn)行驅(qū)動，其硬件設(shè)置完全由軟件實現(xiàn)，無需用戶對硬件連接做任何改動。該卡采用PCI總線，有16路模擬信號輸入端，可構(gòu)成16個單通道輸入或8對差分輸入，最大采樣率為250 kS／s，輸入電壓范圍±10V。

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計
    動靜渦旋端面摩擦溫度的測試系統(tǒng)與傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的不同點在于：使用了虛擬儀器來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測試分析設(shè)備，所謂虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)，就是在以通用計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義，具有虛擬面板和測試分析功能的計算機(jī)儀器系統(tǒng)。軟件設(shè)計基于LabVIEW自帶子VI的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲和圖形顯示，波形回放等功能。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

4．1 軟件界面設(shè)計
    軟件界面提供了采集系統(tǒng)的各項參數(shù)設(shè)定，包括采集通道沒置、采樣模式的設(shè)定、采樣點數(shù)目及采樣率設(shè)定、被測目標(biāo)范圍設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲的設(shè)定。在軟件界面中可實時觀測整個測試過程各個通道溫度的變化過程及平均溫度變化，同時實現(xiàn)對濾波頻率的控制，以及溫度的限制。測試結(jié)束后會給出采集數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值，方便測試者現(xiàn)場快速得出測試結(jié)論，測試完成后可保存當(dāng)前測試的所有原始數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行記錄和后期分析處理等。軟件界面如圖6所示。
4．2 軟件程序設(shè)計
    數(shù)據(jù)采集程序的編寫利用NI-DAQmx模塊下的相關(guān)VI進(jìn)行編程，實現(xiàn)動靜渦盤摩擦溫度信號的數(shù)據(jù)采集功能。首先使用DAQmx創(chuàng)建通道．  vi創(chuàng)建熱電偶溫度傳感器的測試通道；其次用DAQmx定時．vi和DAQmx配置輸入緩沖區(qū)．vi分別對采樣頻率和緩沖區(qū)大進(jìn)行設(shè)置；然后，在DAQmx開始任務(wù)．vi的觸發(fā)下，利用DAQmx讀?。畍i對設(shè)置的4個輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并在前面板顯示信號曲線；最后，利用DAQmx清除任務(wù)．vi清除任務(wù)。程序框圖如圖7所示。

    數(shù)據(jù)的存儲是將采集到的信號參數(shù)進(jìn)行保存，以便做后續(xù)的分析處理。為了滿足不同數(shù)據(jù)的存儲格式和性能需求，LahVIEW提供了多種類型的文件存儲格式，比如，文本文件(txt)、二進(jìn)制文件、數(shù)據(jù)記錄文件、基于文本的測量文件(LVM)、數(shù)據(jù)存儲文件(TDM)和TDMS文件等。本文選擇基于TDMS數(shù)據(jù)記錄文件(TDMS文件)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲，這是一種能實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)記錄的二進(jìn)制文件格式。啟用TDMS數(shù)據(jù)記錄后，NI-DAQ mx可將數(shù)據(jù)直接從設(shè)備緩沖區(qū)以流盤方式寫入硬盤。NI-DAQmx將原始數(shù)據(jù)寫入TDMS文件，提高了寫入速度并降低了對硬盤的影響。文件格式的特點是它能將動態(tài)數(shù)據(jù)按一定格式存儲在文本文件中，并且在數(shù)據(jù)前加上一些信息頭，例如采集時間等，可以由Excel等文本編輯器打開查看其內(nèi)容。

5 測試結(jié)果及分析
    系統(tǒng)設(shè)計完成后進(jìn)行實試，4路溫度傳感器位于溫場的不同位置，在試驗臺運行5 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，表1是端面摩擦溫度實驗的部分實測數(shù)據(jù)。從實測數(shù)據(jù)可以看出，隨著摩擦?xí)r間的增加溫度值隨之升高，最后趨于穩(wěn)定；各被測點溫度偏差最大為0．5 ℃，整個溫場最大偏差為0．46 ℃，數(shù)據(jù)表明被測摩擦端面溫場的均勻性和穩(wěn)定性較好。

6 結(jié)語
    本文基于LahVIEW圖形化編程語言，實現(xiàn)了對動靜渦旋端面摩擦溫度信號采集系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)實現(xiàn)了信號采集、信號調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲、圖形顯示和波形回放等功能。無油潤滑渦旋壓縮機(jī)動靜渦旋端面摩擦溫度信號進(jìn)行采集和存儲，對動力學(xué)特性分析、理論設(shè)計和提高其性能等具有重要的意義。
    相比傳統(tǒng)的信號采集系統(tǒng)，基于LabVIEW的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有成本低廉，友好的人機(jī)界面，開發(fā)周期短，數(shù)據(jù)處理簡單方便以及便于維護(hù)等優(yōu)點。