基于LabVIEW的压缩机性能测试 过程073姚伟佳
摘要：示功图是压缩机综合性能的体现，对压缩机示功图的分析是研究压缩机运行工况的重要方法。本文着重介绍了基于LabVIEW虚拟仪器技术的压缩机示功图测试，主要包括数据采集、数据处理、数据显示等方面。通过LabVIEW图形化编程，更好地对压缩机示功图进行分析处理，测定压缩机平均指示压力、指示功率、机械效率、容积损失等参数，从而更直接地反映压缩机运行情况。
关键词：示功图，LabVIEW，虚拟仪器，处理 1 研究背景 1.1 研究背景
压缩机是一种压缩气体提高气体压力或输送气体的机器，在社会主义建设的许多部门中应用极广。在采矿业、冶金业、机械制造业、土木工程、石头化学工业、制冷与气体分离工程以及国防工业中，压缩机是比不可少的关键设备之一。此外，医疗、纺织、食品、农业、交通等部门对压缩机的需求也与日俱增[1]，故对压缩机性能的要求越来越高。
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压缩机的示功图(又称pV图，如图1-1)，是反映压缩机在一个工作循环中活塞在每一个位置时气缸内气体压力变化的曲线。根据示功图，人们可以对压缩机的工作过程作一系列的分析计算：例如，根据示功图面积可求出气缸内平均指示压力，指示功率及气阀功率损失；根据吸入线长度可算出容积系数；根据最高压力和最低压力，可求出气缸内实际压力比；根据气体压力产生的作用力，可作为动力及强度复核计算的依据。此外，在示功图上还可以分析判断气阀、活塞环、填料等的泄漏情况；进、排气过程的压力损失情况；压缩及膨胀过程的热交换情况等，进而根据这些分析判断来消除压缩机的某些故障[2]。由此可见，示功图的测定及分析，对研究压缩机运行工况是十分重要的。
图1-1 压缩机示功图 1.2 研究意义
传统的压缩机示功图测绘方法分为机械式和气电式[3]。机械式录入方法的缺点是在测量过程中存在一定的惯性误差，尤其在转速较高时更为明显；气电式录入方法的缺点在于膜片传感器会引起压力失真和讯号滞后误差。综上看出，传统方法对于压力这个模拟量只是进行了必要的信号处理，而没有转换成数字量，为后续的设计计算工作带来了很多不便。
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随着电子技术、传感器、和微机技术的迅速发展及其在测控技术中的应用，以虚拟仪器为标志，智能化的测控系统得到了飞速发展，使得数据采集的设计方法和实现技术产生了深刻的变化。测控系统一般由三大功能块组成：信号采集与控制、数据分析与处理、结果表达与输出。虚拟仪器技术将这三大功能模块集中在微机上，在微机上插入数据采集卡，用虚拟仪器技术软件编程，在微机界面上生成类似传统仪器的操作面板，在软件生成的界面上对现场信号进行采集、控制和处理，并显示、分析结果，实现传统仪器的功能。这种测控系统能快速、自动地调节工况，并在不同工况下采集实验数据，并对数据进行计算处理，及时地将实验结果提供给有关人员进行分析和判断，这就大大缩短了实验研究的周期，节省了能源、人力的消耗[4,5]。
通过对压缩机性能的分析，可以清楚的看到压缩机在不同工况下的运作情况，从而反映出压缩机是否稳定运行，及时发现各种故障，避免发生事故，同时也可以对压缩机作出更好的改进措施。
1.3 研究目的
采用虚拟仪器软件Labview编程，采集压缩机变工况性能参数数据来测定压缩机排气压力、指示功率、机械效率、气阀损失效率和容积效率等参数。
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了解和分析压缩机气缸内压力的实际变化过程。 研究不同排气压力对排气量的影响规律。 2 文献综述
2.1 示功图测试技术[6]
示功图的测试，是研究压缩机性能与工作状态的基本方法之一。示功图测试装置的基本原理是以活塞移动或曲轴旋转时的位置信号作横坐标，气缸内的压力信号作纵坐标，同时输入到显示或记录装置，然后绘制出气缸内压力P和活塞行程容积V的关系曲线。常用的有机械式、电子式及计算机自动测试装置。
(1)机械式测试装置
机械式示功图测试装置从构造上可分为螺旋弹簧式和杆形弹簧式两种[7]，如图2-1所示。机械式测试装置的压力传递机构，实际上相当于一个在周期性气体力激振下的弹性振动系统；行程传递机构相当于一个在周期力作用下的扭转振动系统。因此，这种机构的工作过程是两个振动系统相互配合的综合过程。由于机械装置本身质量较大，这种系统在测量过程中往往会出现惯性误差，误差的大小与系统的自振频率有关，自振频率越高，惯性误差越小。
图2-1 机械式测试装置示意图 a-螺旋弹簧式 b-杆形弹簧式
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(2)电子式测试装置
电子式示功图测试装置主要由传感器、放大器和记录器等部分组成[8]，其工作原理如图2-2所示。气缸内压力、活塞行程或曲轴转角的变化通过传感器转换成电的模拟信号，信号经电压或电流放大后与示波器、记录仪或打印机等连接起来，绘制出压缩机的示功图。
图2-2 电子式测试装置原理方框图
电子式示功图测试装置不仅能克服机械惯性而产生的失真，还有迅速、准确的优点。其主要特点为：由于传感器和测试仪器的运动部分具有很高的自振频率，因而可用于高转速压缩机，可测量瞬变压力；除传感器需要直接装在压缩机上外，其他仪器均可通过电缆作远距离测量；压力传感器可以装在任意部位，如阀腔、管道、缓冲器等，可以测量这些部位的压力脉动情况；电子式测试装置由一套复杂的电子仪器组成，对外界影响很敏感，仪器的使用、保管须特别注意。
(3)计算机自动测试装置
计算机自动测试装置以微处理器为核心，配以信号输入和数据输出设备组成数字化测量系统。系统主要由传感器、信号调理、A/D转换模块和计算机等部分组成，其一般结构如图2-3所示。气缸内压力、活塞行程或曲轴转角的变化通过传感器转换成电的模拟信号。由传感器检测到的物理量不能直接送到
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A/D转换电路和计算机中，还需经过信号调理，使之适合转换电路的要求。信号调理的主要功能有阻抗变换、信号放大或衰减滤波、线性化处理、数值运算和电气隔离等。信号经信号调理后由A/D转换模块转换为计算机能够识别的数字信号。计算机通过微机接口与A/D模块进行通信，在系统中完成数据采集、数据处理和测试过程自动控制等任务。
图2-3 计算机测试结构一半系统
由于计算机测试系统分辨率高，测试速度快，可进行多次重复测量，从而减小了随机误差，故容易实现高精度测量。此外，计算机强大的数据处理能力，使系统在测试参数科，类很多、数值很多的测试工作中能高效地完成测试任务。
通过对上述三种测试装置的讨论，可以看出机械式测试装置虽然结构简单，但是由于机械结构不可避免的惯性误差，使得测试精度很有限，不能用于精确测量示功图，主要应用于教学演示且压缩机转速不高的场合。
电子式测试装置测试速度快、精度高，能满足于高转速、远距离的测试要求，还能通过示波器即时显示测试结果。其缺点为：1、容易受外界干扰，不宜在环境较恶劣的场合下使用，并且装置的使用和保管要求较高；2、测试数据保存及处理功能较弱，不能满足于在线实时分析的要求；3、在多参数测量方面效率低。
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计算机自动测试装置是在电子式测试装置的基础上发展而来的，与电子式测试装置相比，不仅继承了电子式测试装置的优点，而且测量效率与测量精度更高，还具有高性能、低价格的特点。计算机测试系统的测量和分析速度高，可用于生产过程的在线测量和控制。因此，计算机测试系统在对多参数进行数据的自动采集和数字信号的自动分析与处理方面有着十分突出的优势。另外，通过预先编制好的程序可对试验数据进行实时处理，及时提供试验结果。也可以把原始数据存盘，以备日后处理之用。测量及处理结果可以在显示器上显示，也可以通过打印机打印出来，还可以形成开式或闭式的示功图曲线，这对压缩机的状态监测与故障诊断非常有利。
2.2 虚拟仪器技术
2.2.1 虚拟仪器的基本概念[9]
随着科学技术的发展，传统的仪器已经不适应快速、复杂的多参数的测试与测量，迫切要求测试、测量技术不断改进与完善。由于微型计算机技术、超大规模集成电路的飞速发展，仪器的功能和组成也发生了质的变化。计算机处于核心地位，计算机软件技术和测试仪器更紧密结合成了一个有机整体，仪器的结构概念和设计观点等都发生了突破性的变化。在上述的背景下，20世纪80年代中期，美国NI公司提出了全新概念的仪器——虚拟仪器。
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虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物。虚拟仪器充分利用了计算机的运算、存储、运算、回放显示及文件管理等智能化功能，同时把传统仪器的专业化功能和面板控件软件化，使之与计算机结合构成一台功能完全与传统硬件仪器相同，同时又充分享用了计算机软硬件资源的全新的虚拟仪器系统。虚拟仪器的“虚拟”二字主要体现在如下两个方面。
(1)虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器的各种面板和面板上的各种“控件”，是由软件来实现的。用户通过对键盘或鼠标来对“控件”操作，从而完成对仪器的操作控制。
(2)虚拟仪器的测试功能是由软件来控制硬件实现的。 与传统仪器相比，虚拟仪器的最大特点是其功能由软件定义，可以由用户根据应用需要进行软件的编写，选择不同的应用软件就可以形成不同的虚拟仪器。
2.2.2 虚拟仪器的组成及分类[9]
虚拟仪器由通用仪器硬件平台和软件两大部分组成。硬件平台包括计算机和总线与I/O接口设备两大部分。
(1)计算机
一般为PC机或计算机工作站，是硬件平台的核心。 (2)总线与I/O接口设备
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总线是连接PC机与各种程控仪器与设备的通道，完成命令、数据的传输与交换。I/O接口设备主要完成被测信号的采集、放大、A/D转换，当然也包括机械接插件、插槽、电缆等。
根据总线的类型不同，虚拟仪器主要有如图2-4所示的几种类型。
图2-4 虚拟仪器的构成框图
由图2-4可见，不同的类型的总线有其相应的I/O接口硬件设备，按总线类型分，虚拟仪器主要分为以下几种类型：PC总线的数据采集(DAQ)插卡式仪器、GPIB总线仪器、VXI总线仪器、PXI总线仪器以及串行口总线仪器等。计算机是通过软件来驱动总线对仪器设备进行控制。
2.2.3 虚拟仪器的特点[10]
⑴以软件开发平台为核心。虚拟仪器的硬件确定后，它的测控功能主要由计算机内部软件决定，并可通过修改软件来增减其规模。
⑵用户自定义，灵活方便。虚拟仪器打破了传统仪器完全由厂家定义，而用户无法更改的模式，用户可以根据自己需求的不断变化，方便、灵活地重组测控系统，可以随时扩展和升级系统，这样就缩短了开发周期，并充分满足了用户在不同场合的要求。
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⑶系统开发性强。虚拟仪器可以与其他设备互联，如可以通过网络或与各种外设连接，实现对现场的测控和管理，使测控系统脱离局域的限制，应用领域显著扩大。
⑷性价比高。虚拟仪器之所以具备一机多用的功效，是由于其测量功能的设置非常方便，系统组建快捷，同时由于测控时采用数字显示和记录，降低了系统误差和环境干扰的影响，从而节省了硬件资源，也减少了测控系统的开发和维护成本。
2.2.4 虚拟仪器的软件开发平台
虚拟仪器系统的一大核心技术是软件技术，从美国NI公司提出的著名口号：软件就是仪器，可看出软件对于虚拟仪器的重要性。
虚拟仪器的软件技术，主要包含两方面，第一是软件标准化问题，第二是如何利用各种软件开发平台，编制出符合标准的自动测试应用软件。
在虚拟仪器系统的组建和开发中，研究、开发适于广大测试技术人员使用的测试软件开发平台(也称软件开发工具或软件开发环境)，提高编程效率、节省调试时间和编程费用，一直是测试领域人们关心的重要技术问题。许多公司已经开发出一些使用方便、功能强大的专用的虚拟仪器软件开发平台，目前世界上具代表性的3个专用的虚拟仪器软件开发平台是美国NI公司的LabWindows/CVI、LabVIEW和HP公司的HP VEE。其
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中LabWindows/CVI属于可视化的文本型开发平台，而LabVIEW与Agilent VEE属于图形化的软件开发平台。
LabWindows/CVI中的CVI(C for Virtual
Instrumentation)的含义就是“用于虚拟仪器的C语言”的英文缩写。LabWindows/CVI将源代码编辑、32位ANSI C编辑、链接、调试以及标准ANSI C库等集成在一个交互式开发环境中，用户可以快速方便地编写、调试和修改应用程序。该平台尤其适合于粗通C语言，但没有Windows底层编程经验的测控软件开发人员使用。LabWindows/CVI主要适用于各种测试、控制、故障分析及信息处理软件的开发，既适用于一般的测试软件开发，也适用于大型、复杂的测试软件的开发。LabWindows/CVI最早用于航空、航天的飞行器测试，现已广泛地用于工业技术的各个领域，成为虚拟仪器测试领域最受欢迎的软件开发平台之一。
图形化软件开发平台LabVIEW与HP VEE为用户提供了简单、直观、易学的图形编程方式，把复杂繁琐、费时的文本编程简化成“画流程图”的方法。与通用的文本编程语言相比，可以节省大约70％～80％的程序开发时间。编程工作是由开发平台本身完成的，省去用户大量的编程工作。图形化软件开发平台只需用鼠标将屏幕上的各个功能图标按一定的顺序连接起来，即采用，就能方便迅速地完成程序的编写。该类软件开
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发平台同时支持与多种总线接口系统的通信连接，提供数据采集、仪器控制、数据分析和数据显示等与虚拟仪器系统相关的多种功能，是面向测试领域的优秀软件开发平台，受到了从事虚拟仪器系统的软件开发的广大工程技术人员的欢迎。
2.2.5 LabVIEW简介
LabVIEW(Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench)是实验室虚拟仪器集成环境的简称，是美国国家仪器公司(NATIONAL INSTRUMEN，简称NI)推出的一种基于图形程序的虚拟仪器仪表开发平台，和仪器系统的数据采集、分析、显示部分一起协调工作，是简化了而又更易于使用的基于图形化编程语言G的开发环境，其在测量测试、数据采集、仪器控制、数字信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用[11,12]。
LabVIEW程序称为虚拟仪器程序，简称VI（Virtual Instrument）[13]。其开发环境包括三个部分：前面板，框图程序和图表/借口。图表/借口部件可以让用户把VI程序变成一个对象（VI子程序），然后再其他程序中把它作为子程序来调用，以创建更复杂的程序。LabVIEW这种创建和调用子程序的方法，使创建的程序结构模块化，易于调试，理解和维护。包括前面板（Front Panel）、程序框图（block
diagram）以及图标/连结器（Icon/Connector）三部分[14]。
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①前面板，是图形用户界面，前面板主要用于输入量的设置和输出量的观察，它模拟了真实仪表的面板。用户可以使用许多由系统提供的控制图标，如旋钮、开关、按钮等，使前面板清晰直观，易于操作，前面板是虚拟仪器的用户接口，犹如实际仪器的面板。前面板是控制和显示对象的集合。
②流程图，是提供VI的图形化源程序，可以把它理解成传统程序的源代码；通过连线将接收、输出数据的对象连接起来创建流程图，就能实现特定的功能，控制程序执行的流程。如果将VI与标准仪器相比较，那么前面板就相当于是仪器的面板，具有仪器上所有的控件和显示装置，而流程图上的程序块相当于仪器箱内的东西。
③图标/连结器。LabvIEW的强大功能归因于它的层次化结构，用户可以把创建的VI程序当作子VI程序，以创建更复杂的程序。在LabVIEW中，图标/连结器是子VI被其它VI调用的接口，相当于图形化的参数，图标是子VI在其他程序中被调用的节点表现形式，连结器表示节点数据的输入/输出口。
选择LabVIEW开发测试和测量应用程序的一大决定性因素是其开发速度。通常，使用LabVIEW开发应用系统的速度比使用其它编程语言快4～10倍。这一惊人速度背后的原因在于
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LabVIEW易用易学，它所提供的工具使创建测试和测量应用变得更为轻松。
LabVIEW的具体优势主要体现在以下几个方面[13]： ⑴提供了丰富的图形控件，并采用图形化的编程方法，彻底把工程师们从复杂苦涩的文本编程中解放出来。
⑵内建的编译器在用户编写程序的同时就在后台自动完成了编译。因此用户在编写程序的过程中如果有语法错误，它会被立即显示出来。
⑶由于采用数据流模型，它实现了自动的多线程，从而能充分利用处理器尤其是多处理器的处理能力。
⑷通过DLL、CIN节点、ActiveX、.NET或MATLAB脚本节点等技术，可以轻松实现LabVIEW与其他编程语言混合编程。
⑸通过应用程序生成器可以轻松地发布EXE、动态链接库或安装包。
⑹LabVIEW提供了大量的驱动和专用工具，几乎能与任何接口的硬件轻松连接。
⑺LabVIEW内建了600多个分析函数，用于数据分析和信号处理。
⑻NI同时提供了丰富的附加模块，用于扩展LabVIEW在不同领域中的应用，例如实时模块、PDA模块、FPGA模块、数据记录和监控（DSC）模块、机器视觉模块与触摸屏模块等。
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2.3 压缩机性能参数
压缩机的热力性能是指排气压力、排气量、排气温度、以及功率和效率[15]。
⑴排气压力
压缩机排气压力是指最终排出压缩机的气体压力。一台压缩机的排气压力并非恒定，压缩机铭牌上标出的排气压力是指额定排气压力。对于一台已有的压缩机，其实际排气压力的高低并不取决于压缩机本身，而是由压缩机排气系统内的气体压力，即所谓的“背压”决定的，而排气系统内的气体压力又取决于该压力下压缩机排入系统的气量与从系统输走的气量是否平衡。
⑵排气量和供气量
排气量也称容积流量或输气量，是指在所要求的排气压力下，压缩机最后一级单位时间内排出的气体容积，折算到第一级进口压力和温度时的容积值。
供气量也称标准容积流量，是指压缩机单位时间内排出的气体容积折算到基准状态时的干气体容积值。
⑶排气温度和压缩终了温度
压缩机级的排气温度是在该级工作腔排气法兰接管处测得的气体温度。而压缩终了温度时工作腔内气体完成压缩过程，
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开始排气时的温度。因为排气过程节流和散热的关系，排气温度要比压缩终了温度低一些。
⑷功率和效率 ①指示功率
整个压缩机的指示功为各级指示功之和，单位时间内消耗的指示功称为指示功率，用Ni表示。
②轴功率
压缩机消耗的功一部分是直接用于压缩气体的，即指示功；还有一部分用于克服各运动部件的机械摩擦，即摩擦功。主轴需要输入的总功为两者之和，称为轴功，单位时间消耗的轴功称为轴功率，用Nz表示。
③机械效率
指示功率和轴功率之比称为机械效率，用ηm表示。 ④等温指示效率
等温指示效率是指压缩机理论等温循环指示功与实际循环指示功之比，用ηi-is表示。等温指示效率反映了压缩机实际耗功与最小功接近的程度，即经济性。
⑤容积效率
容积效率是指压缩机实际排气量与理论排气量之比，用ηV表示。
3 技术路线
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3.1 实验所用软件
LabVIEW8.20图形编程软件。 3.2 实验内容
①根据采集系统采集到的压缩机性能参数，设计压缩机示功图的虚拟仪器面板和数据处理、记录程序，由LabVIEW虚拟仪器软件绘制出压缩机示功图。
②对绘制的示功图进行分析计算，求解压缩机性能参数，如平均指示压力、指示功率、机械效率、容积损失等。
③研究在变工况下，排气压力对压缩机性能参数的影响，并绘制关系曲线。
3.3 实验方案
运用LabVIEW图形编程软件对已测得的压缩机性能数据进行分析，计算出个性能参数，并在LabVIEW中绘制出压缩机示功图及各性能参数与排气压力的关系，从曲线中观察压缩机性能，对实验结果进行分析。
3.4 实验步骤
⑴对已有数据进行整理列表；
⑵运用LabVIEW编写程序，以实现在前面板中绘制出相应排气压力下的压缩机示功图，并将所写程序保存；
⑶截取不同排气压力下的示功图并保存；
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⑷运用LabVIEW编写程序，以实现对压缩机示功图进行分析计算，求解压缩机各性能参数，并将所写程序保存；
⑸对求得的压缩机性能参数进行整理并列表； ⑹对实验所得结果进行分析，得到结论。 3.5 创新点
本实验采用虚拟仪器技术，运用图形编程软件LabVIEW对压缩机性能进行分析计算，在前面板上可直观地看到压缩机示功图，且对压缩机性能参数的计算更加精确，分析更加准确，测试精度高。
3.6 技术难点
LabVIEW软件为新接触软件，需要对其有良好的学习及掌握，且对编写的程序要进行多次调试，以保证实验结果的准确。
4 进度安排
20__.01.31～20__.03.16 查阅资料，完成文献翻译和开题报告
20__.03.17～20__.04.10 学习并掌握LabVIEW编程软件
20__.04.11～20__.05.10 编写相应程序并实现课题要求任务
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20__.05.11～20__.06.10 对实验结果进行分析总结并完成大论文
20__.06.11～20__.06.13 准备大论文答辩 参考文献
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