基于PSI 9116智能壓力掃描閥的多路壓力測量系統(tǒng)設計

譚正一　安豐增

摘要：針對固沖發(fā)動機多路壓力測量試驗需求，利用美國PSI公司產(chǎn)品PSI 9116智能壓力掃描閥為測試核心，設計了一套多路壓力測量系統(tǒng)。本文對該系統(tǒng)的硬件組成、工作原理和測壓系統(tǒng)的軟件設計等內(nèi)容作了詳細描述。系統(tǒng)應用軟件設計采用NI公司的LabVIEW圖形化編程，用戶界面簡潔直觀、操作簡單，可擴展性強，具備128路的壓力分布測量能力，較好地滿足了固沖發(fā)動機點火試驗參數(shù)測量需求。

關(guān)鍵詞：固沖發(fā)動機：壓力測量：智能壓力掃描閥

中圖分類號：V435 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0044-05

0、引言

固體火箭沖壓發(fā)動機具有比沖高、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠、使用方便等優(yōu)點，是新一代導彈的優(yōu)選動力裝置。固沖發(fā)動機主要由燃氣發(fā)生器、補燃室和進氣道等部件組成。在產(chǎn)品研制期間，會對發(fā)動機進行一系列的結(jié)構(gòu)特性、燃燒特性試驗研究，為獲取準確的特性參數(shù)，需對發(fā)動機進氣道、補燃室多個截面、不同方位的壓力參數(shù)進行測量。傳統(tǒng)的固體火箭發(fā)動機測量系統(tǒng)有測量通道少、校準過程繁瑣、準備時間長等缺點，已不能滿足目前通道多、測試條件復雜的試驗需求，研究簡單、高效的多路壓力測試手段成為新課題。

如今應用于試驗中的各種傳感器不斷朝著小型化、集成化、智能化、標準化的趨勢發(fā)展，加之計算機技術(shù)和日益精進的編程語言在軟、硬件上的支持，使得壓力測量系統(tǒng)的性能不斷改進和提升。在風洞試驗中，面對多通道壓力測試需求，從20世紀90年代起，已開始引進電子掃描壓力測量系統(tǒng)用于流場及試驗件的壓力測量。近年來，隨著技術(shù)的進步，壓力掃描閥的掃描速率不斷提高，且通過植入芯片實現(xiàn)了傳感器的智能化，使該系統(tǒng)的技術(shù)日趨成熟、應用更加廣泛。

1、系統(tǒng)組成及工作原理

本系統(tǒng)選用PSI 9116智能壓力掃描閥為測試核心，圖形化語言LabVIEW編程，模塊化設計，搭建了測量能力達到128路的多路壓力測量系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)組成

多路壓力測量系統(tǒng)主要由掃描閥單元、氣源操縱臺、主控計算機及網(wǎng)絡等組成，如圖1所示。

掃描閥單元由PSI 9116（智能壓力掃描閥）、PSI 90DB（掃描閥數(shù)據(jù)接口）、PSI 9032（大氣壓力計）、PSI 9034（標準壓力源）等部件組成。其中PSI9116智能壓力掃描閥為測試核心，共8個模塊，每個模塊集成16個傳感器，具有溫度補償功能；PSI90DB為PSI 9116提供24 VDC電源、同步觸發(fā)信號和網(wǎng)絡接口；PSI 9032是精密大氣壓力計，用來測量大氣壓力，對測量參數(shù)進行絕壓修正；PSI9034是標準壓力源，為絕對壓力輸出，精度0.01%，用于壓力掃描器PSI 9116的檢定和校準。

氣源操縱臺配備高壓氮氣瓶、減壓閥、安全閥及操縱氣路，為系統(tǒng)提供操縱、校準、檢漏和吹除用氣，操縱氣動作由主控計算機控制。氣源操縱臺通過減壓器實現(xiàn)對高壓氮氣瓶減壓，經(jīng)氣路輸送到PSI 9116使用，氣源操縱臺組成如圖2所示。

主控計算機為一臺標準工業(yè)控制計算機，配備IO板卡，完成數(shù)據(jù)記錄、PSI 9116模塊觸發(fā)及操縱氣控制等功能，主控計算機與PSI 9116模塊通過以太網(wǎng)交換機連接。

1.2 工作原理

1.2.1 PSI 9116簡介

PSI 9116智能壓力掃描閥是一種高性能一體式氣體壓力測量裝置，用于多通道干燥無腐蝕性氣體的壓力測量，其內(nèi)部集成了壓力傳感器和氣路校準閥。它采集的數(shù)據(jù)是保證系統(tǒng)精度的EU（工程單位）數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是通過上電時讀取傳感器內(nèi)部預置的EU轉(zhuǎn)換和溫度補償系數(shù)經(jīng)過內(nèi)部計算得到，系統(tǒng)還允許用戶使用計算機執(zhí)行多點校準輔助微調(diào)內(nèi)部系數(shù)。

PSI 9116是網(wǎng)絡式智能壓力掃描閥NetScan，nerTM系列中的一員，采用自適應10/100 M以太網(wǎng)接口，使用TCP/UDP/IP協(xié)議，支持全雙工/半雙工操作，多個掃描器可聯(lián)網(wǎng)組成一個多種參數(shù)分布式智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

PSI 9116具有16個測量通道，每個通道使用單獨的氣體壓力傳感器，每個傳感器內(nèi)部都具有記憶全部校準數(shù)據(jù)的嵌入式記憶電路芯片，精度高達±0.05%，通過內(nèi)部調(diào)零校準、量程校準或多點校準功能來維持高精度；每個傳感器都包含一個單獨的溫度傳感器和內(nèi)部溫度補償系數(shù)供補償算法軟件使用，在校準溫度范圍內(nèi)，溫度漂移誤差低至±0.001%FS/℃：PSI 9116具有驅(qū)動校準閥，通過軟件命令可實現(xiàn)自動調(diào)零校準、滿量程校準和多點校準，新的零位和增益系數(shù)在校準后生效，并可寫入傳感器內(nèi)部永久記憶電路。

PSI 9116還具有一個專用的吹除/檢漏校準氣動閥組，如圖3所示。通過軟件命令和操縱氣源，可以將閥組推到以下4個位置：測量、校準、吹除、檢漏充氣。圖3中示意了系統(tǒng)執(zhí)行測量功能時的閥位狀態(tài)，執(zhí)行推閥命令時須在PSI 9116的推閥控制壓力輸入端口上加560～860 kPa的壓力。

1.2.2 系統(tǒng)布局

系統(tǒng)采用上下位機形式，根據(jù)現(xiàn)場布局情況分為現(xiàn)場測量端和遠程控制端兩部分，上位機與下位機采用以太網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互與控制，如圖4所示?，F(xiàn)場測量端位于試車臺，放置PSI 9116智能壓力掃描閥（下位機）及一些輔助測量設備，負責試驗參數(shù)的測量：遠程控制端為一臺工業(yè)控制機，即上位機，上位機程序基于LabVIEW編程，負責下位機和氣源操縱臺控制、試驗數(shù)據(jù)監(jiān)視、記錄及分析等功能：為便于操作，氣源操縱臺亦放置在遠程控制端。

本系統(tǒng)應用于自由射流工況下的固沖發(fā)動機數(shù)據(jù)測量，發(fā)動機安裝在高空艙內(nèi)，試驗中，艙內(nèi)氣流高速流動，振動劇烈。PSI 9116為差壓式測量儀器，系統(tǒng)將掃描閥單元安裝于高空艙外，測試管路經(jīng)預設通道進入高空艙與發(fā)動機相連，同時保證了設備運行的安全和穩(wěn)定，避免了惡劣環(huán)境對設備的破壞。為便于測壓管路連接安裝操作，系統(tǒng)設計專門的轉(zhuǎn)接板，轉(zhuǎn)接板接口按掃描閥模塊呈矩陣式分布，便于測壓通道查找及插接。轉(zhuǎn)接板與發(fā)動機之間預置轉(zhuǎn)接管路，試驗前，根據(jù)測試需求可快速連接。

1.2.3 系統(tǒng)工作

系統(tǒng)工作主要有試驗前準備、試驗參數(shù)測量及試驗后處理三階段工作。試驗前準備主要完成測量通道配置、管路檢漏、通道校準和管路連接等工作；試驗階段完成數(shù)據(jù)測量、文件保存及數(shù)據(jù)處理分析等內(nèi)容；試驗后期需對測量管路進行吹除、關(guān)閉操縱氣等操作，以下詳細介紹主要操作。

（1）管路檢漏

試驗前，為確保測試準確，需進行氣路泄漏檢查。執(zhí)行檢漏功能時，測量輸入管路的外端用堵頭堵死，在校準端口加上合適的檢漏壓力，將閥組推到檢漏位置，使壓力充滿到各測量管路內(nèi)，充氣完畢，再將閥組推回到測量位置，然后周期性地采集壓力數(shù)據(jù)，分析每個輸入通道的壓力降低過程，以判斷其泄漏程度。

（2）通道校準

為使儀器測試準確，達到高精度測量，不僅要求所用壓力傳感器的重復性、線性度好，溫漂滯后小，更重要的是在試驗前對其進行零點校準。

用戶可以通過校準軟件控制PSI 9116模塊內(nèi)部固件，對模塊傳感器進行調(diào)零和滿量程校準操作，獲得最佳的測量精度。在執(zhí)行調(diào)零和量程校準功能時，先將閥組推到校準位置，然后才執(zhí)行校準操作，校準完畢通過軟件控制回到測量位置。

其中調(diào)零校準不需要校準器（源），PSI 9116為智能式電子壓力掃描器，自動進行數(shù)字溫度補償、非線性補償功能，傳感器補償參數(shù)出廠時已經(jīng)校準并記憶到內(nèi)部FLASH存儲器。使用時，量程校準是指對PSI 9116進行滿量程校準，執(zhí)行量程校準需要連接標準壓力源PSI 9034，輸出滿量程壓力到校準端口。

（3）數(shù)據(jù)測量

主控計算機可控制PSI 9116采樣速率，同時按預設時間間隔讀取緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，記錄并顯示實時壓強曲線，數(shù)據(jù)記錄可根據(jù)需求選擇手動或自動兩種不同的啟動方式。

現(xiàn)場測量端觸發(fā)后，PSI 9116按照通道順序自動掃描（采集）所有傳感器輸出，掃描器以設定掃描速率執(zhí)行，數(shù)據(jù)保存到內(nèi)部緩沖區(qū)，供主機存取，同時模塊將根據(jù)現(xiàn)場實測溫度，調(diào)取內(nèi)部保存的溫度補償系數(shù)，自動進行數(shù)字溫度補償和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

（4）管路吹除

試驗過程中，灰塵、水汽等不可避免地進入測試管路，可能帶來管路堵塞、傳感器腐蝕等危害，因此，試驗完畢需對管路進行吹除清理。在執(zhí)行吹除功能時，PSI 9116閥組推到吹除位置，在輸入端口加上適當吹除壓力，吹除氣流將通過各測量通道的輸入管路排出，將異物吹出輸入管路。

2、軟件設計

2.1 軟件設計平臺

發(fā)動機參數(shù)測量軟件設計采用美國NI公司圖形化語言LabVIEW編程，LabVIEW是一種基于圖形開發(fā)、調(diào)試和運行程序的集成化環(huán)境，是第一個借助虛擬面板用戶界面和方框圖建立虛擬儀器的圖形程序設計系統(tǒng)，該語言面向測試工程師，編程方便，人機交互界面直觀友好，具有強大的數(shù)據(jù)可視化分析和儀器控制能力，并提供了許多子VI供編程者直接調(diào)用。利用IabVIEW模塊化和圖形化的編程方法，可以在很短時間里設計、構(gòu)建和修改自己的虛擬儀器系統(tǒng)，無需進行任何繁瑣的計算機代碼編寫。

2.2 軟件流程

軟件運行時首先建立網(wǎng)絡連接，主控計算機與PSI 9116模塊實現(xiàn)通訊，如果網(wǎng)絡連接錯誤，用戶進行故障檢查，重新運行軟件；連接成功后，軟件自動讀取配置文件，配置文件自動默認最近一次試驗信息設置，如果本次試驗信息需要更改，進人參數(shù)設置界面進行參數(shù)設置：參數(shù)設置完畢可以進行檢漏、校準、調(diào)零等操作；完成以上操作后，試驗準備完畢，方可進行參數(shù)測量，參數(shù)測量結(jié)束可以進行數(shù)據(jù)分析；試驗完畢，最后完成管路吹除，軟件流程如圖5所示。

2.3 軟件設計

軟件設計基于事件，模塊化設計。程序根據(jù)使用需求，設計了參數(shù)設置模塊、主界面和數(shù)據(jù)分析模塊等三大模塊。

（1）參數(shù)設置模塊

參數(shù)設置模塊主要完成測點位置信息配置、通道顯示狀態(tài)設置、PSI 9116采樣頻率等信息，并生成配置表，供本次試驗應用。試驗件差異以及同一試驗件不同的試驗目的，測量參數(shù)會隨之產(chǎn)生變化，因此，試驗參數(shù)設置模塊是相當重要的模塊，對后續(xù)參數(shù)對照、數(shù)據(jù)分析至關(guān)重要。在軟件設計時，通道信息沒有固化，可根據(jù)實測需求隨時改動；在實際試驗中，測量通道最多可達128路，不可能對所有通道都進行實時監(jiān)測，通道顯示狀態(tài)設置實現(xiàn)對重要參數(shù)的顯示勾選，達到重要通道參數(shù)清晰直觀顯示的目的。

試驗參數(shù)默認讀取前一次配置文件，沿用上次試驗配置信息，如果本次試驗測試通道、顯示曲線需更改，可按實際情況重新進行參數(shù)設置。

（2）主界面

軟件的各項主要功能都集中在主界面，不僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)波形實時顯示和記錄，同時下位機檢漏、校準和吹除等功能都在此界面完成。軟件主界面分三大區(qū)塊：圖形顯示區(qū)、功能區(qū)和參數(shù)顯示區(qū)，如圖6所示。

圖形顯示區(qū)用于顯示測量通道實時波形曲線，由于通道較多，采用按模塊分頁顯示的方式，現(xiàn)場測量端的8個PSI 9116模塊采集的參數(shù)分別在對應的分頁內(nèi)顯示，每個圖形顯示框最多可選8路曲線，顯示曲線由參數(shù)設置模塊設定；參數(shù)顯示區(qū)主要顯示校準信息，在通道校準時，顯示各通道校準的標準壓力、實測壓力參數(shù)及校準精度，大氣壓力值由大氣壓力計測得，用于壓力測量的絕壓校正，該顯示區(qū)也采用分頁設計，由一個下拉勾選框?qū)崿F(xiàn)模塊切換；功能區(qū)用于執(zhí)行檢漏、校準、吹除、數(shù)據(jù)采集和存儲等功能，由圖6可以看出，模塊狀態(tài)欄有連接、測量、校準、吹除和檢漏等呈矩陣分布的狀態(tài)燈，每一行表示一個模塊，每一列表示執(zhí)行的功能，在執(zhí)行該功能時可以單選或全選，全選時可通過全選框勾選實現(xiàn)。

（3）數(shù)據(jù)分析模塊

數(shù)據(jù)分析模塊是對試驗后期數(shù)據(jù)的再現(xiàn)和分析，數(shù)據(jù)分析模塊實現(xiàn)了以下功能：數(shù)據(jù)回放，各通道壓力曲線顯示；為便于數(shù)據(jù)分析，用戶可以對曲線進行一系列操作：曲線選擇、移動、局部放大、縮小，單、雙光標讀數(shù)功能；對波形數(shù)據(jù)實現(xiàn)濾波處理；數(shù)據(jù)積分及FFT功能，實現(xiàn)總沖計算及頻譜分析功能；完成數(shù)據(jù)剪輯、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換等功能。

3、系統(tǒng)應用

多路壓力測量系統(tǒng)已成功應用于彈發(fā)匹配試驗系統(tǒng)流場測量和某型固沖發(fā)動機地面轉(zhuǎn)級吹試試驗。彈發(fā)匹配試驗系統(tǒng)流場壓力分布測試試驗在限流噴管出口處特定位置安裝特制的總壓耙，總壓耙布置的測點能反映試驗系統(tǒng)來流的壓力分布情況，裝置感受到的壓力由多路壓力測量系統(tǒng)測量并記錄，彈發(fā)匹配試驗系統(tǒng)流場壓力分布測試曲線如圖7所示，圖中壓力曲線為來流流場在該測點的壓力測量值，表征了試驗系統(tǒng)來流流場壓力分布的一致性。在流場測試中，實測結(jié)果與理論計算相符，為彈發(fā)匹配試驗系統(tǒng)一來流分系統(tǒng)調(diào)試提供了有效參數(shù)，驗證了系統(tǒng)設計的準確性，為系統(tǒng)驗收提供了幫助：在某型固沖發(fā)動機產(chǎn)品進行的多次考核試驗中，利用多路壓力測量系統(tǒng)取得了發(fā)動機的許多重要參數(shù)，為該型發(fā)動機改進設計提供依據(jù)，促進型號研制的進展。

4、結(jié)論

本文研制的多路壓力測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，工作性能穩(wěn)定，測試精度高，測量通道多，可以完成128路測量通道的測試要求，較好地滿足了固沖發(fā)動機多路壓力測量的試驗要求。系統(tǒng)具備自動校準功能，使用方便，試驗效率大大提高。應用軟件功能齊全，用戶界面直觀，操作簡單，軟件編程采用虛擬儀器編程方法，充分利用了虛擬儀器在設備研制中的優(yōu)勢，實現(xiàn)了多路壓力測量系統(tǒng)的硬件驅(qū)動、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果處理等功能。系統(tǒng)采用模塊化設計，可擴展性強，為將來系統(tǒng)更新、擴展提供了良好的基礎平臺。