基于LabVIEW的動(dòng)靜渦旋端面摩擦溫度測(cè)試系統(tǒng)

摘要：無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)動(dòng)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(shí)實(shí)現(xiàn)端面摩擦溫度的測(cè)量，采用了摩擦溫度信號(hào)的非接觸熱平衡測(cè)量方法，通過(guò)虛擬儀器軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW及相關(guān)硬件產(chǎn)品，構(gòu)建動(dòng)靜渦旋端面摩擦溫度測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，提高了測(cè)量精度。結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的信號(hào)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(kāi)發(fā)周期短，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單方便以及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。這將對(duì)無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)動(dòng)力學(xué)特性分析、理論設(shè)計(jì)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(hào)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(jiǎn)單、運(yùn)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(dòng)力工程向醫(yī)藥、食品、燃料電池等需求無(wú)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(dòng)靜渦旋、曲軸、防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和支架組成。動(dòng)渦旋在防自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的約束下，由曲軸帶動(dòng)相對(duì)靜渦旋作公轉(zhuǎn)平動(dòng)。由于運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在較多摩擦副，因此，實(shí)現(xiàn)無(wú)油潤(rùn)滑，不同材料對(duì)偶摩擦副的摩擦溫度是研究的關(guān)鍵問(wèn)題之一。摩擦副產(chǎn)生的熱量對(duì)壓縮機(jī)的性能和摩擦副的磨損、潤(rùn)滑特性等都具有很大的影響，所以，對(duì)摩擦副的摩擦溫度的研究將對(duì)渦旋壓縮機(jī)的動(dòng)力學(xué)特性分析、理論設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，借助其強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)了動(dòng)靜渦旋端而摩擦表面溫度信號(hào)的采集。LabVIEW (Laboratory Virtual Instr ument Engineer Workbench)是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡(jiǎn)稱(chēng)，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(shí)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(gè)功能強(qiáng)大的圖形化軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。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(jià)的測(cè)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(dòng)靜渦旋端面摩擦副結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。將自潤(rùn)滑材料鑲嵌在渦旋齒頂構(gòu)成動(dòng)靜渦旋齒頂端面摩擦副，動(dòng)渦旋盤(pán)在曲軸的驅(qū)動(dòng)下作回轉(zhuǎn)平動(dòng)，動(dòng)、靜渦旋摩擦副在軸向力作用下緊密貼合，自潤(rùn)滑材料在渦旋盤(pán)金屬材料表面生成一層自潤(rùn)滑轉(zhuǎn)移膜，從而達(dá)到潤(rùn)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(duì)動(dòng)靜渦旋盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖2所示，本測(cè)試系統(tǒng)在靜渦盤(pán)上同一半徑圓周上均勻布置4個(gè)溫度傳感器。

2 系統(tǒng)測(cè)量原理
    由于摩擦表面的溫度梯發(fā)較大且是瞬時(shí)的，所以給測(cè)量表面溫度帶來(lái)了很大的困難。常見(jiàn)的摩擦表面溫度測(cè)量方法有氪化法、紅外測(cè)溫法、熱平衡法等。氪化法測(cè)溫只能事后推導(dǎo)表面所經(jīng)歷過(guò)的最高溫度而不能進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量；紅外測(cè)溫法要求探頭能直接看到摩擦表面，這對(duì)于非透明的摩擦材料是難以滿足的；用熱電偶法測(cè)量溫度屬于非接觸式測(cè)溫，它基于熱平衡的原理，利用傳感器的敏感元件與被測(cè)物體進(jìn)行熱交換，最后達(dá)到熱平衡。該測(cè)試系統(tǒng)采用非接觸熱平衡法測(cè)量摩擦表面的溫度。由熱電偶溫度傳感器的測(cè)溫原理知，一般情況下應(yīng)對(duì)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(cè)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?jī)?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(cè)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(hào)采集系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)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(chǎng)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(chǎng)合為實(shí)驗(yàn)室，所以對(duì)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(guó)電中自電氣有限公司的活動(dòng)螺釘式熱電偶，型號(hào)為：CA1D-2M6，分度號(hào)為K，測(cè)量范圍為-40～300℃。其突出特點(diǎn)是：溫度與熱電勢(shì)呈線性關(guān)系，靈敏度較高，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高，活動(dòng)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(zhuān)門(mén)的函數(shù)庫(kù)可對(duì)該卡進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其硬件設(shè)置完全由軟件實(shí)現(xiàn)，無(wú)需用戶對(duì)硬件連接做任何改動(dòng)。該卡采用PCI總線，有16路模擬信號(hào)輸入端，可構(gòu)成16個(gè)單通道輸入或8對(duì)差分輸入，最大采樣率為250 kS／s，輸入電壓范圍±10V。

4 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    動(dòng)靜渦旋端面摩擦溫度的測(cè)試系統(tǒng)與傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的不同點(diǎn)在于：使用了虛擬儀器來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測(cè)試分析設(shè)備，所謂虛擬儀器(Virtual Instrument，VI)，就是在以通用計(jì)算機(jī)為核心的硬件平臺(tái)上，由用戶設(shè)計(jì)定義，具有虛擬面板和測(cè)試分析功能的計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng)。軟件設(shè)計(jì)基于LabVIEW自帶子VI的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)
    軟件界面提供了采集系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)定，包括采集通道沒(méi)置、采樣模式的設(shè)定、采樣點(diǎn)數(shù)目及采樣率設(shè)定、被測(cè)目標(biāo)范圍設(shè)定、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)定。在軟件界面中可實(shí)時(shí)觀測(cè)整個(gè)測(cè)試過(guò)程各個(gè)通道溫度的變化過(guò)程及平均溫度變化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波頻率的控制，以及溫度的限制。測(cè)試結(jié)束后會(huì)給出采集數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值，方便測(cè)試者現(xiàn)場(chǎng)快速得出測(cè)試結(jié)論，測(cè)試完成后可保存當(dāng)前測(cè)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(jì)
    數(shù)據(jù)采集程序的編寫(xiě)利用NI-DAQmx模塊下的相關(guān)VI進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜渦盤(pán)摩擦溫度信號(hào)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(cè)試通道；其次用DAQmx定時(shí)．vi和DAQmx配置輸入緩沖區(qū)．vi分別對(duì)采樣頻率和緩沖區(qū)大進(jìn)行設(shè)置；然后，在DAQmx開(kāi)始任務(wù)．vi的觸發(fā)下，利用DAQmx讀?。畍i對(duì)設(shè)置的4個(gè)輸入通道進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，并在前面板顯示信號(hào)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(chǔ)是將采集到的信號(hào)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(chǔ)格式和性能需求，LahVIEW提供了多種類(lèi)型的文件存儲(chǔ)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(cè)量文件(LVM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(chǔ)，這是一種能實(shí)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(pán)方式寫(xiě)入硬盤(pán)。NI-DAQmx將原始數(shù)據(jù)寫(xiě)入TDMS文件，提高了寫(xiě)入速度并降低了對(duì)硬盤(pán)的影響。文件格式的特點(diǎn)是它能將動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)按一定格式存儲(chǔ)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(shí)間等，可以由Excel等文本編輯器打開(kāi)查看其內(nèi)容。

5 測(cè)試結(jié)果及分析
    系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行實(shí)試，4路溫度傳感器位于溫場(chǎng)的不同位置，在試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行5 min后進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，表1是端面摩擦溫度實(shí)驗(yàn)的部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。從實(shí)測(cè)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(cè)點(diǎn)溫度偏差最大為0．5 ℃，整個(gè)溫場(chǎng)最大偏差為0．46 ℃，數(shù)據(jù)表明被測(cè)摩擦端面溫場(chǎng)的均勻性和穩(wěn)定性較好。

6 結(jié)語(yǔ)
    本文基于LahVIEW圖形化編程語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)靜渦旋端面摩擦溫度信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、圖形顯示和波形回放等功能。無(wú)油潤(rùn)滑渦旋壓縮機(jī)動(dòng)靜渦旋端面摩擦溫度信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，對(duì)動(dòng)力學(xué)特性分析、理論設(shè)計(jì)和提高其性能等具有重要的意義。
    相比傳統(tǒng)的信號(hào)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(kāi)發(fā)周期短，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單方便以及便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。