基于LabVIEW的等離子木纖維凈化器性能檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

郭秀榮，馬超，王迎輝，徐岳峰，楊瀟

0 引言

等離子木纖維凈化器是低溫等離子體與微米木纖維協(xié)同作用，使得PM與NOx同時(shí)得到凈化的一種新型柴油車尾氣后處理技術(shù)，在等離子木纖維凈化器凈化柴油車尾氣的過程中，尾氣流速、溫度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對其凈化性能均有影響［1］。根據(jù)柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，需要實(shí)時(shí)監(jiān)測尾氣溫度、排氣背壓以及NOx的濃度，實(shí)現(xiàn)對凈化器凈化性能的綜合分析。

目前市面上的相關(guān)氣體分析儀器難以實(shí)現(xiàn)多種數(shù)據(jù)組態(tài)分析的功能［2］。LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域中最具有代表性的圖形化編程開發(fā)平臺之一［3-6］，不僅在很大程度上降低了汽車尾氣檢測系統(tǒng)的開發(fā)費(fèi)用，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，同時(shí)，基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)界面直觀、易于操作并且可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)組態(tài)的分析［7-8］。

基于以上考慮，本文分別對凈化器檢測系統(tǒng)的硬件部分和軟件部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用全圖形化編程，開發(fā)柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)，繪制出NO濃度、NO2濃度、尾氣溫度以及壓力隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線圖，并對凈化器進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，以便驗(yàn)證該檢測系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可操作性。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)配置與實(shí)現(xiàn)

柴油車尾氣檢測系統(tǒng)主要由傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)和開發(fā)軟件等組成［9-10］。檢測系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成框圖Fig.1 The block diagram of system hardware structure

該系統(tǒng)涉及兩路氣體通道、一路溫度通道、兩路壓力通道和兩路備用通道，各傳感器選型見表1。

信號調(diào)理器的作用是把傳感器的電荷量、電阻量等非電壓量轉(zhuǎn)化成電壓量并且對微弱的信號進(jìn)行放大［11］。數(shù)據(jù)采集卡是連接待測元件和上位機(jī)的橋梁，把采集到的電量信號送到上位機(jī)進(jìn)行處理和分析，從溫度傳感器和壓力傳感器上直接采集到的信號均是模擬信號，而上位機(jī)不能直接處理模擬信號，因此需要進(jìn)一步進(jìn)行信號調(diào)理及A/D轉(zhuǎn)換［12-16］，把所采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并通過計(jì)算機(jī)對信號進(jìn)行分析、運(yùn)算和處理，生成所需要的波形圖譜以及趨勢曲線，便于研究者進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析［17-19］。

本系統(tǒng)所使用的PCI-1710是一款功能強(qiáng)大的低成本多功能PCI總線數(shù)據(jù)采集卡，其特別適合用于構(gòu)成數(shù)據(jù)采集與控制試驗(yàn)系統(tǒng)，完成多種測控試驗(yàn)。其包含5種最常用的測量和控制功能：16路單端或8路差分模擬量輸入、12位A/D轉(zhuǎn)換器（采樣速率可達(dá)100 kHz）、2路12位模擬量輸出、16路數(shù)字量輸出及計(jì)數(shù)器/定時(shí)器功能［20］。一個(gè)完整的尾氣檢測系統(tǒng)還需要用到接線端子板和通訊電纜，電纜采用PCL-10168型，其主要作用是為了將各信號間的交叉干擾降到最?。?1］。接線端子板采用ADAM-3968型，是DIN導(dǎo)軌安裝的68芯SCAI-II接線端子板，用于各種輸入輸出信號的連接。

當(dāng)PCI-1710板卡設(shè)備安裝在電腦主機(jī)的PCI插口以后，打開設(shè)備管理程序Advantech Device Manager，如圖2所示，由此證明PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡的硬件和軟件均已安裝完畢，接下來需要對板卡設(shè)備進(jìn)行測試，主要測試項(xiàng)目包括模擬量輸入、模擬量輸出、數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出以及計(jì)數(shù)器功能。

圖2 驅(qū)動安裝界面Fig.2 Drive installation interface

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)以LabVIEW2012為軟件開發(fā)平臺，以研華1710數(shù)據(jù)采集卡作為信號采集工具。該系統(tǒng)主要是通過上位機(jī)的人機(jī)界面功能，利用數(shù)據(jù)采集卡以及各種傳感器達(dá)到采集柴油車尾氣中NO和NO2以及臺架試驗(yàn)中各性能參數(shù)，并直觀表現(xiàn)在上位機(jī)界面。綜合分析柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)的工作目標(biāo)，所設(shè)計(jì)的軟件系統(tǒng)主要功能模塊劃分如圖3所示。

圖3 軟件系統(tǒng)功能模塊Fig.3 Function module of software system

柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)由用戶管理模塊和檢測模塊構(gòu)成，用戶管理模塊可以通過設(shè)置用戶名和用戶密碼，從而控制用戶權(quán)限、記錄用戶行為、保護(hù)操作的安全。圖4描述了登錄界面所對應(yīng)的程序框圖。

圖4 登錄界面程序框圖Fig.4 Login interface program block diagram

檢測模塊采用主界面面板將柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)分為通道參數(shù)配置、各通道采集控制命令按鈕以及錯(cuò)誤提示等主要功能區(qū)，同時(shí)還包括對各通道所采集信號進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理功能。其中，主要包括5種測試參數(shù)（NO濃度、NO2濃度、溫度、凈化器入口段壓力即壓力1、凈化器出口段壓力即壓力2）的數(shù)字顯示控件以及所對應(yīng)的波形圖，同時(shí)主界面還包括尾氣溫度顯示條、當(dāng)前時(shí)間、暫停采集命令控制按鈕。

通道參數(shù)設(shè)置面板下可以任意設(shè)定數(shù)據(jù)采集的通道，默認(rèn)值為從0到5，即可以選擇6路信號同時(shí)采集，本系統(tǒng)最大可以擴(kuò)展到同時(shí)進(jìn)行16路的單端或者8路的差分?jǐn)?shù)據(jù)采集。本系統(tǒng)所采用1 710數(shù)據(jù)采集卡工作在增益為1的狀態(tài)下，輸入量程設(shè)置為-5.00 V～+5.00 V。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)的可操作性和檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用普通測量法［22］對其進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架實(shí)驗(yàn)，并將LabVIEW虛擬儀器所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和通過GASBOARD尾氣分析儀、TM330紅外測溫儀以及YTN150壓力表所測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，完成對該檢測系統(tǒng)的調(diào)試和驗(yàn)證，發(fā)動機(jī)臺架如圖5所示。

圖5 柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)試驗(yàn)臺架Fig.5 Text bench of diesel engines exhaust gas detection system

在此次試驗(yàn)中，所選用發(fā)動機(jī)為Lister Petter AA1單缸柴油發(fā)動機(jī)，整個(gè)試驗(yàn)過程均在室內(nèi)進(jìn)行。室內(nèi)溫度為20 ℃，將柴油機(jī)節(jié)氣門開度設(shè)置為50%，柴油發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)置為2 000 r/min，記錄發(fā)動機(jī)在不同運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)刻下NO和NO2的濃度瞬態(tài)值，試驗(yàn)總時(shí)長為100 h。在試驗(yàn)過程中，打開柴油發(fā)動機(jī)，先預(yù)熱30 min，然后每隔10 h使用尾氣分析儀分別記錄NO和NO2的濃度值，使用測溫儀檢測冷卻器后端排氣管尾氣溫度值，使用壓力表測凈化器兩端壓力值。如圖6～8所示為發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度為50%、轉(zhuǎn)速為2 000 r/min時(shí)LabVIEW虛擬儀器實(shí)時(shí)趨勢曲線和不同時(shí)刻下測量值的對比分析曲線。

圖6 NO、NO2濃度對比分析曲線Fig.6 NO、NO2 concentration comparison analysis curve

圖7 溫度對比分析曲線Fig.7 Temperature comparison analysis curve

圖8 排氣背壓對比分析曲線Fig.8 Exhaust backpressure comparison analysis curve

從圖6～8中可以看出，LabVIEW虛擬儀器實(shí)時(shí)檢測結(jié)果為連續(xù)變化的曲線，其中NO和NO2的濃度分別在25～40 ppm和5～10 ppm范圍內(nèi)變化；而尾氣溫度保持在80～100 ℃范圍內(nèi)，最高可達(dá)100 ℃；排氣背壓在650～800 Pa。從整體上可以看出，發(fā)動機(jī)節(jié)氣門開度為50%，轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)總時(shí)長為100 h時(shí)，在相同時(shí)刻通過尾氣分析儀所測得的NO和NO2濃度值、尾氣溫度值、排氣背壓與LabVIEW虛擬儀器實(shí)時(shí)采集值基本吻合。本次開發(fā)的柴油發(fā)動機(jī)尾氣檢測系統(tǒng)能達(dá)到測量預(yù)期目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了對發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)中所需參數(shù)測量的需求。

4 結(jié)論

基于LabVIEW的等離子木纖維凈化器性能檢測系統(tǒng)具有操作方便、界面清晰直觀、容易實(shí)現(xiàn)檢測系統(tǒng)功能性的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，LabVIEW虛擬儀器本身編程效率高，系統(tǒng)升級方便快捷，在尾氣檢測方面具有很好的應(yīng)用前景。本文具體結(jié)論如下：

（1）本文所設(shè)計(jì)的檢測系統(tǒng)以LabVIEW虛擬儀器為開發(fā)平臺，可以準(zhǔn)確的將柴油車尾氣中NO和NO2的濃度以及尾氣溫度進(jìn)行檢測與采集，并且以波形圖譜的形式準(zhǔn)確的繪制出實(shí)時(shí)變化趨勢曲線。

（2）本文通過柴油發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，將LabVIEW虛擬儀器所采集數(shù)據(jù)與尾氣分析儀和測溫儀及壓力表采集數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，在相同時(shí)刻下，兩組試驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和實(shí)用性，可以實(shí)現(xiàn)對等離子木纖維凈化器性能檢測的需求。

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