虛擬儀器技術在液體火箭發(fā)動機試驗穩(wěn)態(tài)流量測量中的應用

李薇，丁博深

（北京航天試驗技術研究所，北京 100074）

虛擬儀器技術是1997年由美國NI公司提的一種新的儀器總線標準PXI總線標準，用戶利用一些高性能的模塊化硬件結(jié)合軟件編程技術組成的儀器系統(tǒng)，可完成各種測試、測量和自動化的應用。在航天試驗測試系統(tǒng)中引入虛擬儀器，可實現(xiàn)對測量前端溫度、壓力、流量、液位等分系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)采集、存儲和處理。本文所介紹的分節(jié)式電容液位計以及與之相匹配的二次儀表、NI數(shù)采設備和基于虛擬儀器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，已經(jīng)應用于航天液體火箭發(fā)動機地面校準試驗的穩(wěn)態(tài)流量測量中，并取得良好的測試結(jié)果。

1 穩(wěn)態(tài)流量采集系統(tǒng)硬件組成及結(jié)構(gòu)

1.1 穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量采集系統(tǒng)組成

穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量采集系統(tǒng)的硬件主要包括分節(jié)式電容液位計、電容變換儀、PXI-1052多插槽機箱，SCXI-1125信號調(diào)理板卡和PXI-6281采集板卡。采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量采集系統(tǒng)

在發(fā)動機試驗中，此系統(tǒng)可將分節(jié)式電容液位計的信號進行調(diào)理，通過數(shù)據(jù)線傳送到NI PXI-1052機箱采集板卡，通過由LabVIEW開發(fā)的軟件對信號進行處理和存儲。

1.2 系統(tǒng)各部分功能實現(xiàn)

（1）分節(jié)式電容液位計及二次儀表的工作原理。分節(jié)式電容液位計是穩(wěn)態(tài)流量測量設備，它的出現(xiàn)從根本上改變了電容式液位計的測量原理，因為它不在以電容值的大小表示液位高度，而只是把他作為由液位變化到電量變化的媒介，所以，它不在受到普通電容液位計的各種誤差源影響，測量和指示精度很高，它為電容式液位計的應用開辟了一條新路。分節(jié)式電容液位計的兩個電極由內(nèi)管和外管組成，外管是由若干節(jié)內(nèi)外徑相同、相互絕緣的金屬短管組成，然后把這些短管的奇數(shù)節(jié)和偶數(shù)節(jié)分別連成一組，與內(nèi)管構(gòu)成兩個獨立的電容C1和電容C2，將這兩個電容作為電橋的相鄰兩橋臂進行比較測量。當液位下降時，將獲得連續(xù)的三角波形，通過對波形時間的測量，可以獲得液位下降速率或體積流量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過二次儀表后輸出電壓值波形如圖2所示。有了上述三角波峰值對應的貯箱體積和時間，就可以計算出任意時間內(nèi)的平均流量，計算公式，見公式（1）。

圖2 分節(jié)式電容液位計輸出波形

式中，qv為低溫推進劑穩(wěn)態(tài)體積流量；n1為t1時刻的波峰對應的節(jié)數(shù)；n2為t2時刻的波峰對應的節(jié)數(shù)；V(n1)為n1對應的體積；V(n2)為n2對應的體積。

（2）信號調(diào)理模塊。美國NI公司的SCXI信號調(diào)理模塊系統(tǒng)是一個用途廣、性能高的信號調(diào)理平臺。適用于多通道，封裝條件惡劣、并且對信號調(diào)理要求較高的應用系統(tǒng)。PXI-1052機箱的特點是結(jié)構(gòu)緊湊、低噪聲，有8個卡槽，具有為調(diào)理模塊提供電源、信號傳輸、定時等功能。對于要求穩(wěn)定性極高的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如穩(wěn)態(tài)流量采集系統(tǒng)，SCXI信號調(diào)理模塊是一種可靠性極高的選擇。穩(wěn)態(tài)流量采集系統(tǒng)所用到的SCXI-1125信號隔離模塊，可提供增益值為1～2000、可編程模擬濾波器在4Hz～10kHz，確保了系統(tǒng)的采集精準度和抗干擾能力。

（3）數(shù)據(jù)采集。利用NI公司高精度多功能M系列數(shù)據(jù)采集設備，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流量測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作，PXI-6281采集板卡經(jīng)優(yōu)化可提供18位模擬輸入精度，多通道采樣率500kS/s，單通道采樣率為625kS/s，其可編程低通濾波器能降低高頻率噪聲并減少頻率混疊，可進行多通道掃描精準快速掃描。分辨率為16位，采用2個32位定時計數(shù)器，具有24路I/O數(shù)字觸發(fā)。運用NIMcal校準技術，測量精度得到顯著提升。

2 系統(tǒng)軟件開發(fā)

2.1 虛擬儀器在穩(wěn)態(tài)流量采集系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢

圖3是一個典型的虛擬儀器測試系統(tǒng)，它由混合總線測量儀器及數(shù)據(jù)采集模塊、專用轉(zhuǎn)接及信號調(diào)理模塊、被測對象三大部分組成。信號調(diào)理模塊是連接前端傳感器和后端數(shù)據(jù)采集設備的中間環(huán)節(jié)。穩(wěn)態(tài)流量測量系統(tǒng)，是一個典型的模擬信號采集、顯示、記錄系統(tǒng)，利用虛擬儀器的方便、快捷的界面以及簡單的編程方法，完全適合此套系統(tǒng)的開發(fā)。本測量系統(tǒng)采用NI公司的LabVIEW作為軟件開發(fā)環(huán)境，引入“軟件就是儀器”的設計思想，通過虛擬儀器這個可視化平臺，編輯采集軟件，通過LabVIEW平臺多種編程語言數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)對VB、VC等編程語言的調(diào)用，可以大大提高工作效率，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)流量數(shù)據(jù)后期處理工作。為了增加軟件的可靠性和可維護性，軟件采用了遞進式結(jié)構(gòu)，將LabVIEW應用程序分為三個層次：第一層為主程序?qū)?，由用戶界面和測試執(zhí)行部分構(gòu)成；第二層是測試層；第三層是驅(qū)動層，負責與硬件設備進行通信。

圖3 虛擬儀器測試系統(tǒng)組成

2.2 采集程序的開發(fā)

（1）采集程序的開發(fā)。虛擬儀器設計的目的是編制相應的軟件，用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器進行數(shù)據(jù)采集、傳輸、顯示、處理和存儲等功能。虛擬儀器前面板是在計算機屏幕上生成一個圖形用戶界面，用戶可以在前面板上設置控制按鈕和顯示窗口兩類對象，并可以通過開關和按鈕對虛擬儀器進行操作，圖4為低溫流量采集系統(tǒng)的前面板設計，低溫流量采集系統(tǒng)采用實時趨勢圖，來顯示穩(wěn)態(tài)流量測量圖形的變化，生成的新數(shù)據(jù)連續(xù)出現(xiàn)在已形成數(shù)據(jù)的后面，波形連續(xù)向前逐步推進顯示。得到的測量數(shù)據(jù)可實時進行存儲，以便后期進行分析處理。

圖4 穩(wěn)態(tài)流量采集系統(tǒng)的前面板

虛擬儀器后面板，是控件的源程序，可在流程圖中對控件進行編程，穩(wěn)態(tài)流量測量系統(tǒng)的后面板設計，主要由數(shù)據(jù)采集單元、運算單元、顯示單元等組成，數(shù)據(jù)采集卡的采樣頻率設為1000Hz,數(shù)據(jù)采集通道選擇Aio輸入，數(shù)據(jù)采集（Data Acquisition-DAQ）系統(tǒng)的基本任務是產(chǎn)生或測量物理信號，NI公司生產(chǎn)了組建完整的DAQ系統(tǒng)所需的全部組件。LabVIEW的數(shù)據(jù)采集程序在完成顯示和采集功能的同時，也完成了對采集通道各種參數(shù)的配置功能。

（2）采集程序的組成。低溫流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括：界面操作控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)曲線顯示系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理分析模塊。①界面操作控制系統(tǒng)。界面控制模塊包括界面開始采集按鈕，停止采集按鈕，結(jié)束按鈕、記錄按鈕，采集速率選擇、記錄文件路徑選擇等，而且對應按鈕操作，配有指示燈的亮、暗顯示，方便用戶了解系統(tǒng)工作情況。②數(shù)據(jù)曲線顯示系統(tǒng)。將穩(wěn)態(tài)流量實時曲線顯示在系統(tǒng)界面上，可以變換曲線顯示的時間坐標軸，方便用戶對流量趨勢做出判斷。③數(shù)據(jù)處理分析模塊。當原始數(shù)據(jù)采集工作完成后，就可以進入數(shù)據(jù)處理模塊，通過此模塊，可以方便地得到穩(wěn)態(tài)流量計算結(jié)果。

（3）數(shù)據(jù)處理模塊的開發(fā)。盡管LabVIEW的功能非常強大，但是有些時候還是需要調(diào)用其它應用程序來輔助其編程，這些調(diào)用程序極大的豐富了LabVIEW的功能，拓展了LabVIEW的使用范圍。數(shù)據(jù)處理模塊是利用LabVIEW應用程序的接口功能，調(diào)用了一段VB開發(fā)程序，該模塊的主要功能是載入指定的數(shù)據(jù)文件，并根據(jù)容器校驗表和啟動信號數(shù)據(jù)、對介質(zhì)液面三角波信號數(shù)據(jù)進行分析和計算，輸出介質(zhì)在指定時間段內(nèi)的穩(wěn)態(tài)體積流量。整個模塊程序框圖，如圖5。

圖5 數(shù)據(jù)處理軟件程序框圖

應用上述測試系統(tǒng)進行了液體火箭發(fā)動機試驗穩(wěn)態(tài)流量采集計算工作。本系統(tǒng)在搭載試驗和試運行過程中，工作穩(wěn)定、可靠，很好地完成了穩(wěn)態(tài)流量的采集，計算工作。通過虛擬儀器在本套系統(tǒng)中的應用，增加了穩(wěn)態(tài)流量測量系統(tǒng)的模塊化、智能化、提高了系統(tǒng)的先進性，提高了開發(fā)效率。在航天測試系統(tǒng)中引入虛擬儀器，對順利完成試驗，提高系統(tǒng)可靠性具有一定意義。

3 結(jié)語

應用本文研究設計的虛擬儀器系統(tǒng)進行了液體火箭發(fā)動機地面校準試驗中穩(wěn)態(tài)流量的數(shù)據(jù)采集工作，經(jīng)試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，該系統(tǒng)測量準確度較高，抗干擾能力較強，很好的完成了國家重點型號發(fā)動機試驗的穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量測量工作。通過虛擬儀器在本系統(tǒng)中的應用，實現(xiàn)信號采集模塊化，集成化，簡化了編程人員通過各種編程語言對硬件操作，用軟件實現(xiàn)傳統(tǒng)儀器的數(shù)據(jù)采集、存儲和顯示功能。通過虛擬儀器這個可視化平臺，編輯采集軟件，通過LabVIEW平臺多種編程語言數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)對VB、VC等編輯語言的調(diào)用，實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)質(zhì)量流量數(shù)據(jù)后期處理工作，目前基于虛擬儀器的測試系統(tǒng)在航天測試工作中逐步成為主流。