燃烧室点火试验中的数据采集和视频监控技术应用

摘  要：为了研究发动机在高原低压和高空低温低压的特殊情况下的点火启动性能，需有效采集试验中的点火状态和各项数据，并进行火焰观测。本文对燃烧室点火试验中的数据采集技术应用进行分析研究，并首次采用了视频监控进行火焰观测。应用结果表明，其能够有效满足航空发动机的研制和试验需求。

关键词：燃烧室;测试系统;数据采集;火焰观测

中图分类号：TP277;TP274       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）24-0005-04

Abstract：In order to research that the engine can successfully ignite and start in special cases of low pressure in plateau or low temperature and pressure at high altitude. It requires to collect ignition condition and data in the experiment effectively，and to observe flame. In this paper，the data collection technology used in the combustion fire examination was analyzed. This is the first time to study the flame observation by using video surveillance. The results indicated that，they could meet the demands of engine study and experiment.

Keywords：combustion;test system;data collection;flame observation

0  引  言

依据某些型号要求，发动机需要在高原低压和高空低温低压的恶劣环境中进行点火启动，高空点火试验台的建设就是为了满足其试验需求设计的。采用扇形段或全环试验件的模拟试验器，按发动机空中风车状态下的燃烧室进口压力、温度和流量进行试验，来确定燃烧室空中再点火边界或点火能量、火花频率和点火电嘴的最佳位置以及发动机启动的最佳供油规律。

燃烧室点火试验中的测试系统包括数据采集系统和视频监控。数据采集系统的设计可以满足点火试验的需求，通过显示点火试验过程状态参数，采集相关试验数据，同时首次采用视频监控进行火焰观测，本文着重研究数据采集系统和视频监控相结合的测试系统技术在燃烧室点火试验中的应用情况。

1  数据采集系统方案介绍

1.1  测试系统总体结构

燃烧室高空点火试验的测试系统方案基于局域网架构，将工业以太网测试设备（气体压力等测量模块）以及VXI总线测试设备（包括温度、频率信号的数据采集等）进行系统集成，测试系统总体结构如图1所示。

如图1所示，整个系统包括3台计算机和网络DSA模块、视频信号采集模块。信号来源包括压力与流量测量模块、温度测量模块等，在数据采集系统软件的管理下，实现燃烧室高空点火试验数据采集、状态显示、数据保存、视频保存等功能[1]。

1.2  数据采集系统方案

1.2.1  数据采集系统硬件

由圖1可以看出，测试系统是以数据采集系统和采集计算机为中心，以网络和串口为通讯接口构成的综合测试系统[2]。不同类型的信号分别输入到以下两个结构单元进行采集和处理：

（1）VXI数据采集模块。包括温度、位移机构信号、差压信号、流量等测试信号采集，再连接到计算机进行存储、分析显示。依据各模块的不同信号输入类型，分别选用了E8491B零槽控制器、VT1413C A/D转换模块及相应的SCP模块，如VT1509A、VT1503A等SCP功能模块[3]。

（2）基于以太网的测量模块。主要包括DSA气压模块对气压参数进行采集以及实时监控时的视频信号采集，然后通过网络连接发送到采集计算机存储和分析显示。气压模块采用美国Scani-Valve公司的DSA3217模块，基于以太网的形式，通过TCP/IP或UDP协议进行通讯。用于实时监控的视频信号，通过硬盘刻录机与网络交换机连接，实时监控的视频通过局域网数据传输到计算机进行存储。

1.2.2  数据采集系统软件

整个数据采集软件系统采用模块化、结构化的设计方法，分为上位机软件和下位机软件两部分。软件平台采用的是目前车台使用比较成熟的VB6.0作为开发平台，Windows 2000/XP作为操作系统平台，数据库采用Office 2003或2007的Excel和Access，结合使用美国NI公司Measurement Studio的相关控件和类库来进行虚拟仪器功能的设计，采用多线程控制方式设计软件系统的整体流程，集数据采集、分析、存储和点火状态实时显示，视频存储，数据回放，数据存储等功能于一体[4]。

2  数据采集在点火试验中的应用

高空点火试验台，针对的是航空发动机在高原低压和高空低温低压的恶劣环境中进行的点火试验。

在高空点火试验器上进行的点火过程试验，实际上是发动机在风车状态主燃烧室开始点火瞬时出现的最苛刻的一段过程，随着高空点火成功，转子逐渐加速，主燃烧室进口总压、总温和流量都逐渐上升，其趋势对燃烧变得有利。试验中改变点火器空间位置、按风车状态下主燃烧室进口气流参数压力和温度，调整油气比，测定贫富油点火边界。点火时间一般5～10秒，燃烧室平均温升大于80度可视为着火，一般出口温度达到几百度以上视为点火成功。

2.1  数据采集

在燃烧室高空点火试验的整个过程中，通过数据采集系统测量温度、压力、流量等相关参数，并通过连续保存和单点保存使相关数据得以完整保存。保存的数据可以随时调出查看，用以分析研究试验性能。

试验过程中，则通过图形化界面显示数据采集系统采集到的瞬时值，如图2所示。

通过数据采集显示界面，试验人员可以观察点火试验中温度、压力和流量等参数变化情况，准确调整试验预期状态。

2.2  点火启动性能曲线显示

试验过程中，数据采集系统采集的温度、压力和流量等数据都是实时的，但是由于数据比较多，变化比较快，不方便试验人员观察和判断点火性能的好坏，因此采用了Measurement Studio UI的相关控件和类库设计点火启动性能曲线实时显示，这样可以方便试验人员更好的判断点火过程是否成功，如图3所示。

由图3可以看出，在点火试验中，点火成功后温度、流量变化显著，数据图形化的显示更方便试验人员判断试验过程点火是否成功。

3  视频监控在点火试验中的应用

3.1  视频监控的简单介绍

视频监控应用在燃烧室高空点火试验测试技术中有很大的作用，视频监控的特点就是直观、方便、信息内容丰富，危险防范能力极强。燃烧室点火试验是密闭试验，试验过程中试验人员不能接触试验件，试验人员只有通过视频实时监控来掌握试验过程中试验件和设备的状态，能够起到预防安全事故的作用。其次，燃烧室点火试验通过数据观察点火效果并不如用肉眼观察点火效果直观，视频实时监控可以观察点火火焰及着火情况，它比试验数据更加直观，更加有利于试验人员对试验情况及时做出判断。在试验过程中，每一次点火的时候，通过视频实时监控就可以观测到点火启动的性能是否达标。同时，在点火试验过程中，将视频与数据采集系统采集的试验数据同时进行保存，更加有利于试验人员对点火试验的分析研究。

燃烧室高空点火试验台首次引进了视频实时监控技术来进行火焰观测。

3.2  视频实时监控技术应用

将视频监控系统与数据采集系统相结合在本研究所内的发动机试验中尚属首例，很多技术难点还处于研究改进中。在该高空试验台的点火试验中主要应用了实时监控初始化、实时监控、视频保存等功能，其流程图如图4所示。

3.2.1  视频监控初始化

在数据采集程序启动后，同时会进行视频监控的初始化，在程序中会进行判断，初始化成功才会通过运行，否则会提示“初始化失败”。初始化SDK的程序语句如下：

3.2.2  视频监控登录

视频监控初始化成功后，即可进行视频监控登录。利用Measurement Studio的相关控件设计一个登录按钮，点击登录按钮以后通过局域网连接视频，做好实时监控准备，如果网络通信存在问题，无法登录时会提示“登录失败”，登录语句如下：

3.2.3  视频实时监控

视频监控初始化和登录后，便建立了视频存储器与数据采集系统的连接，通过设计的实时监控控件点击后，便可以进行视频实时监控，视频实时监控程序代码如下：

通过实时监控，在电脑显示屏上可以及时清楚地进行火焰观测，实时反映试验中的点火状况，视频监控可以直观地观察到点火启动性能的好坏。

3.2.4  视频保存

整个点火试验过程中，实时监控视频同测量的数据同时进行保存，以时间作为保存名，方便试验后对视频和数据进行对比查看研究。视频保存程序代码如下：

3.2.5  视频回放

最后，保存好的视频可以通过程序进行回放操作，观察整个点火过程。可以通过文件名找到保存的视频，同保存的数据进行对比观察，方便试验人員在试验后对点火过程观察研究。

3.3  视频监控应用效果

点火试验过程中，当进行点火试验时，通过视频监控可以直观地观测到点火的性能情况，如图5所示。

（a）点火前

（b）点火启动

（c）点火中

（d）点火成功

由图5可以直观地看出点火试验的性能，有助于试验人员进行判断与操作，与数据采集系统结合相得益彰，对于数据的处理也会因为有视频的帮助而更加精准。因此，视频监控结合数据采集的测试技术在点火试验中的应用非常重要。

4  结  论

在燃烧室高空点火试验中使用视频监控系统与数据采集系统相结合可以达到更好的效果，不仅有利于试验过程中试验人员的及时控制及操作，而且有利于设计人员在后期更加精准地对试验数据进行处理。因此，视频监控在高空点火试验中的应用是成功的。

但是视频监控技术在试验中的应用尚有不足之处，例如由于视频的保存与数据的保存虽然是同时进行的，但却是分开保存的，因此保存的过程中可能存在时间上的误差，这种误差有可能是系统造成的。目前，试验人员对视频和数据的处理是通过寻找相同的时间点，然后调取视频和数据进行处理研究，这会造成一定的误差和麻烦。在以后的研究中，可以尝试在视频保存的同时使用水印等相关的技术，将有用的测量数据刻在视频的画面上进行同时保存。

视频监控技术的应用会越来越广泛，在以后的发动机试验测量技术中也会得到更多的应用，因此需要不断地改进创新以满足更多的试验平台。

参考文献：

[1] 张宝城.航空发动机试验和测试技术 [M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2] 汤玉辉，黄玲娟.发动机试验测控系统设计 [C]//中国航空学会.2006年航空试验测试技术学术交流会，2006：195-202.

[3] E1413C 64-Channels Muxed to 16 Bit，100KSamples/s A/D User’s Manual [Z].Agilent Technologies.

[4] 刘炳文.精通 Visual Basic 6.0 中文版 [M].北京：电子工业出版社，1999.

作者简介：刘泽晖（1987-），男，汉族，湖南邵阳人，主管设计师，工程师，硕士研究生，研究方向：航空发动机试验测试。