基于LabVIEW的調節器低溫動性能試驗臺測量系統設計

劉小杰，杜永清

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

基于LabVIEW的調節器低溫動性能試驗臺測量系統設計

劉小杰，杜永清

（西安航天動力研究所，陜西西安710100）

流量調節器是液氧煤油火箭發動機中關鍵的自動調節裝置，其動態性能直接影響發生器乃至發動機的工作特性。為進一步驗證流量調節器工作可靠性，設計并集成了調節器低溫動性能試驗臺測量系統。測量硬件基于PXI系統搭建，軟件基于LabVIEW平臺進行編程。首先介紹了測量系統的總體方案及工作原理，然后對熱電偶測量方法、硬件選型、軟件總體架構、軟件子模塊設計及拖拽式數據顯示方法進行了重點闡述，最后簡要說明了測量系統的調試方法及結果。測試結果表明，測量系統穩定、可靠，能滿足試驗要求。

流量調節器；低溫動性能試驗臺；測量系統；PXI；LabVIEW

0 引言

調節器是發動機實現工況轉換、保持推力穩定的關鍵組件，其工作可靠性直接關系到發動機的工作可靠性［1-2］。

為了進一步提高動力系統的工作可靠性，特別是發動機長期貯存或延遲發射時，調節器內部的非金屬密封件長時間浸泡在煤油中，可能導致非金屬密封材料失去密封作用、調節器轉級卡滯或調節器無法完成轉級過程。因此，有必要建設調節器低溫動性能試驗臺（以下簡稱試驗臺），開展調節器可靠性方面的試驗研究及驗證工作。

1 試驗臺功用及組成

試驗臺用于研究流量調節器在低溫煤油環境下的動態性能，確定其容許的邊界工作條件。試驗臺主要由低溫供應系統、回收系統、試驗控制系統、指令氣系統、測量系統及調節器測控儀6部分組成，其中低溫供應系統用于提供滿足試驗要求的低溫試驗介質；回收系統用于對介質進行流量測量并回收；試驗控制系統用于對試驗臺中安裝的所有氣動閥門和電磁閥進行遠程控制，同時實現參數的調節功能；指令氣系統用于試驗臺氣源供應和控制，實現系統壓力的自動調節；測量系統用于完成溫度、壓力、流量、轉級時間等系統參數的實時采集、換算、顯示及存儲工作；調節器測控儀用于控制調節器并鎖定電機角度，控制電機以任意角度調節。試驗臺原理如圖1所示。以下重點討論試驗臺測量系統的設計、集成與調試。

圖1 試驗臺組成示意圖Fig.1 Schematic diagram for composition of test bench

2 測量系統要求

測量系統作為試驗臺的關鍵設備，其性能高低直接影響試驗數據的準確性。試驗臺對測量系統提出以下要求：

·測量精度：≤0.2%（F·S）；

·采樣率：＞1 kS/s；

·測量軟件具有通道配置、數據采集及數據分析等功能，配置靈活、操作方便；

·測量系統應安全性高，人機界面友好，易操作且可擴展。

3 測量系統設計

3.1 系統總體設計

為了實現性能優良、配置靈活的設計目標，測量系統基于PXI硬件與LabVIEW軟件構建。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量軟件。

如圖2所示，測量系統由傳感器、機柜、計算機及軟件4部分組成。PXI架構的測量系統在總體結構上有兩種選擇：一類是采用嵌入式計算機，安裝于PXI機箱內，具有體積小、集成度高的特點；另一類是采用普通計算機，通過PXIPCI控制卡與PXI機箱交換數據，可以認為PXI設備是計算機內的1個PCI設備。本文采用第2種方案，即遠程PC控制PXI設備的架構模式，在便于計算機升級與維護的同時，也在一定程度上實現了遠程控制功能。

信號調理選用DATAFOUTH公司的SCM5B系列調理模塊，載板選用SCMPB01-1，即1個載板將16路輸出信號并聯同步傳輸到采集板卡，同時為每個模塊提供+5V的直流激勵電壓。由于載板的信號輸出接口和采集卡的信號輸入電纜都為單根多芯形式，故采用自行加工的信號轉接板將信號傳輸給采集卡，若采用與采集卡配套的接線端子盒（SCB-68A等），在增加成本的同時也帶來了部分接線工作。

至此，測量系統的工作原理如下，傳感器將測量到的壓力、流量及溫度等信號傳遞給信號調理模塊進行信號隔離、放大、濾波及轉換，轉換后的標準信號在數據采集卡內實現模數轉換，計算機通過測量軟件實現數據計算、顯示及存儲工作。試驗結束后由分析軟件完成曲線回放與分析，同時具備數據導出功能。

圖2 測量系統原理圖Fig.2 Schematic diagram of measuring system

3.2 溫度測量方法及調理模塊選擇

前端傳感器的信號輸出形式會影響測量方法及調理模塊的選擇。當前，常用的測溫傳感器有熱電偶及熱電阻2類。由于熱電偶的測溫范圍大、響應速度快，被廣泛應用于火箭發動機地面試驗中。本試驗臺選擇熱電偶作為溫度傳感器。

熱電偶輸出為毫伏電壓信號，電動勢由測量端與參考端的溫度差引起。在工程應用中，很難將熱電偶的參考端溫度穩定在0℃，因此涉及溫度補償的問題。

具體到5B調理模塊的選型中，有以下2種方案：一種是直接選擇熱電偶調理模塊，利用載板上自帶的溫度傳感器實現溫度補償；另一種是選擇毫伏電壓模塊測量熱電偶輸出信號，通過溫度變送器測量溫度相對恒定的參考端溫度（可補償所有熱電偶通道），在測量軟件內計算出熱電偶測量端的真實溫度。

兩類方法的優缺點對比如表1所示。方案1的優點是系統集成簡單，缺點是某一類型的調理模塊只能測量對應類型的熱電偶；方案2可以使單個調理模塊連接不同類型的熱電偶傳感器，缺點是軟件編程難度增加。本文選擇第2種方法。實現方法見圖3。

表1 2種溫度測量方法對比表Tab.1 Comparison table of two temperature measuring methods

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

3.3 硬件選型

根據以上分析結果，對測量系統主要硬件進行選型，選型結果如表2所示。

表2 測量系統主要硬件選型表Tab.2 Selection for main hardwares of measurement system

4 測量軟件設計

4.1 軟件總體設計

測量軟件采用模塊化設計方法，由通道設置、數據采集、數據分析及通道校準4個功能模塊組成，其中通道設置模塊與數據采集模塊之間是順序結構，軟件流程圖如圖4所示。軟件的總體結構位于登陸界面后面板，用于檢測用戶操作，進入相應的子模塊。軟件功能可采用“循環-事件結構”或“循環-條件結構”實現。本軟件采用“循環-事件結構”，程序框圖如圖5所示，當執行觸發事件時，首先隱藏當前登陸界面，然后進入對應子模塊。

4.2 通道設置模塊設計

通道設置模塊的功能是：呈現給用戶一個友好的界面，在此用戶可以查看或配置測量通道及傳感器的參數信息，包括通道是否啟用、測點名稱、換算系數、報警限及傳感器類型等參數。通道設置模塊的運行流程是：讀取配置文件并顯示，用戶對參數進行查看或設置，當需要進入試驗界面時，保存參數配置并以數組及簇的形式將參數傳遞給數據采集模塊。通道設置界面如圖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

通道設置模塊的程序框圖總體是1個順序結構，第1幀讀取配置文件，將配置內容顯示在多列列表框內；第2幀由1個循環-事件結構及1個While循環結構組成，前者用于響應用戶界面操作，實時將用戶對配置信息的修改反應在多列列表框上，后者用于實時刷新各通道的換算值，方便用戶配置通道；第3幀為條件判斷結構，當用戶選擇進入數據采集界面時，軟件將從全局通道中檢索出本次啟用的測量通道，創建DAQmx采集任務數組，同時將啟用的測量通道信息以2維數組的形式傳遞給數據采集模塊，用于數據計算及報警判斷等功能。子VI之間的參數傳遞盡量采用數組或簇的形式，不但可以減少連線數量，增強程序的可讀性，還可以起到優化程序結構的作用。

4.3 數據采集模塊設計

數據采集模塊依據通道設置模塊傳遞的參數實現數據采集、顯示及存儲功能。數據采集采用“生產者-消費者”模型，即1個While循環作為生產者，利用DAQmx讀取函數不斷的從任務通道中讀取數據放入隊列中，另1個While循環作為消費者，依次從隊列中取出數據進行換算、存儲、顯示等操作。這里采用隊列作為緩存，也可以使用其他方式如數組作為數據緩存。

為了提高數據存儲速度，同時便于試后的數據分析，數據存儲采用如下方法：開始記錄后，將換算值連同對應的時間列不斷寫入二進制文件中；在結束數據記錄時，將本次試驗的通道配置信息以文本格式與試驗數據一起保存，即每次記錄產生兩個文件，二進制數據文件及配置文件。在數據分析模塊中，可利用配置文件將二進制數據文件翻譯成標準文本格式。

4.4 拖拽式數據顯示方法

數據顯示是數據采集模塊的基本功能。一般情況下，測點的數量是大于界面可顯示數量的，因此要求顯示測點可靈活配置。數據采集模塊前面板放置了1個簇控件（內含18個數值型顯示控件）及2個波形圖表控件用于測點值的實時顯示。配置顯示測點的方法多種多樣，本軟件采用拖拽式方案。

如圖7所示，用戶只需從左側的測點列表（可隱藏）中，將需要顯示的測點名稱拖拽至顯示控件即可完成配置功能。實現方法可以分解為以下2個步驟：首先，生成本次試驗的測點列表。依據通道設置模塊傳遞的參數，利用LabVIEW中的樹形控件生成測點列表，其父項定義為測點類型，子項定義為測點名稱；其次，識別被拖拽的測點名稱，若放置成功，則修改顯示控件的屬性信息，同時根據被拖拽測點名稱及索引號從換算值數組中索引出正確的數值顯示在顯示控件內，此處依靠“拖拽開始”、“拖拽輸入”、“放置”3個事件結構配合完成。

圖7 數據采集界面Fig.7 Data acquisition interface

5 調試與驗證

為了驗證測量系統的功能與精度，在完成單元調試后，利用標準信號源產生不同幅值及頻率（1 Hz，100 Hz，1 kHz）的方波或正弦波，通過軟件采集后，查看采集的數據能否完全復現信號源給出的信號。調試結果表明：測量精度優于0.2%F.S，采樣率10次/秒～5000次/秒可調，測量系統滿足試驗臺要求，運行穩定。

6 結論

針對調節器低溫動性能試驗臺的任務需求，詳細論述了測量系統硬件及軟件設計要點，測試表明，測量系統滿足試驗臺對測量精度、采樣速率、可靠性及人機交互友好性等方面的要求，可以為流量調節器的性能驗證及研究提供試驗數據支撐。

參考資料：

［1］陳維宇，劉站國，王昕，等.流量調節器研制中的主要問題及結構改進［J］.火箭推進，2009，35（6）：31-36. CHEN W Y，LIU Z G，WANG X，et al.Problems in the development process of a flow regulator and improvement of its structrures［J］.Journal of rocket propulsion，2009，35（6）：31-36.

［2］劉上，劉紅軍，陳建華，等.流量調節器在泵壓式供應系統中的動力學特性［J］.火箭推進，2014，40（2）：28-35. LIU S，LIU H J，CHEN J H，et al.Dynamical characteristics of flow regulator in pump feed system［J］.Journal of rocket propulsion，2014，40（2）：28-35.

［3］祝敏，張輝，雷震.分布式測控系統在發動機試驗中的應用［J］.火箭推進，2013，39（5）：98-102. ZHU M，ZHANG H，LEI Z.Application of distributed measurement and control system in liquid rocket engine test［J］.Journal of rocket propulsion，2013，39（5）：98-102.

［4］邱剛，康小錄，喬彩霞，等.霍爾電推進長壽命試驗臺測控系統研制［J］.火箭推進，2012，38（3）：65-73. QIU G，KANG X L，QIAO C X，et al.Design of measurement and control system for Hall electric propulsion longevity test bed［J］.Journal of rocket propulsion，2012，38（3）：65-73.

［5］黃見，胡順星，曹開法，等.基于LabVIEW的測污激光雷達三維掃描控制系統的設計［J］.大氣與環境光學學報，2013，8（2）：124-129.

［6］李夢婷，王小明.ITER CICC導體氣密性檢測控制系統的研制［J］.真空VACUUM，2010，47（6）：41-45.

［7］郝貴欣.基于LabVIEW的減壓閥試驗臺測控系統［J］.測控技術，2011，30（6）：102-106.

［8］董延軍，李興軍.LabVIEW多核編程技術在局域網文件傳輸中的應用［J］.測控技術，2014，33（9）：113-124.

［9］尹君馳，薛風.用熱電偶測量流體介質溫度的誤差分析［J］.當代化工，2014，43（8）：1524-1526.

（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，研究領域為液體火箭發動機試驗測控技術