虚拟仪器技术在液体火箭发动机试验稳态流量测量中的应用

李薇，丁博深

（北京航天试验技术研究所，北京 100074）

虚拟仪器技术是1997年由美国NI公司提的一种新的仪器总线标准PXI总线标准，用户利用一些高性能的模块化硬件结合软件编程技术组成的仪器系统，可完成各种测试、测量和自动化的应用。在航天试验测试系统中引入虚拟仪器，可实现对测量前端温度、压力、流量、液位等分系统的稳态数据采集、存储和处理。本文所介绍的分节式电容液位计以及与之相匹配的二次仪表、NI数采设备和基于虚拟仪器的数据采集系统，已经应用于航天液体火箭发动机地面校准试验的稳态流量测量中，并取得良好的测试结果。

1 稳态流量采集系统硬件组成及结构

1.1 稳态质量流量采集系统组成

稳态质量流量采集系统的硬件主要包括分节式电容液位计、电容变换仪、PXI-1052多插槽机箱，SCXI-1125信号调理板卡和PXI-6281采集板卡。采集系统结构如图1所示。

图1 稳态质量流量采集系统

在发动机试验中，此系统可将分节式电容液位计的信号进行调理，通过数据线传送到NI PXI-1052机箱采集板卡，通过由LabVIEW开发的软件对信号进行处理和存储。

1.2 系统各部分功能实现

（1）分节式电容液位计及二次仪表的工作原理。分节式电容液位计是稳态流量测量设备，它的出现从根本上改变了电容式液位计的测量原理，因为它不在以电容值的大小表示液位高度，而只是把他作为由液位变化到电量变化的媒介，所以，它不在受到普通电容液位计的各种误差源影响，测量和指示精度很高，它为电容式液位计的应用开辟了一条新路。分节式电容液位计的两个电极由内管和外管组成，外管是由若干节内外径相同、相互绝缘的金属短管组成，然后把这些短管的奇数节和偶数节分别连成一组，与内管构成两个独立的电容C1和电容C2，将这两个电容作为电桥的相邻两桥臂进行比较测量。当液位下降时，将获得连续的三角波形，通过对波形时间的测量，可以获得液位下降速率或体积流量的数据，经过二次仪表后输出电压值波形如图2所示。有了上述三角波峰值对应的贮箱体积和时间，就可以计算出任意时间内的平均流量，计算公式，见公式（1）。

图2 分节式电容液位计输出波形

式中，qv为低温推进剂稳态体积流量；n1为t1时刻的波峰对应的节数；n2为t2时刻的波峰对应的节数；V(n1)为n1对应的体积；V(n2)为n2对应的体积。

（2）信号调理模块。美国NI公司的SCXI信号调理模块系统是一个用途广、性能高的信号调理平台。适用于多通道，封装条件恶劣、并且对信号调理要求较高的应用系统。PXI-1052机箱的特点是结构紧凑、低噪声，有8个卡槽，具有为调理模块提供电源、信号传输、定时等功能。对于要求稳定性极高的数据采集系统，如稳态流量采集系统，SCXI信号调理模块是一种可靠性极高的选择。稳态流量采集系统所用到的SCXI-1125信号隔离模块，可提供增益值为1～2000、可编程模拟滤波器在4Hz～10kHz，确保了系统的采集精准度和抗干扰能力。

（3）数据采集。利用NI公司高精度多功能M系列数据采集设备，实现稳态流量测量系统数据采集工作，PXI-6281采集板卡经优化可提供18位模拟输入精度，多通道采样率500kS/s，单通道采样率为625kS/s，其可编程低通滤波器能降低高频率噪声并减少频率混叠，可进行多通道扫描精准快速扫描。分辨率为16位，采用2个32位定时计数器，具有24路I/O数字触发。运用NIMcal校准技术，测量精度得到显著提升。

2 系统软件开发

2.1 虚拟仪器在稳态流量采集系统中的应用优势

图3是一个典型的虚拟仪器测试系统，它由混合总线测量仪器及数据采集模块、专用转接及信号调理模块、被测对象三大部分组成。信号调理模块是连接前端传感器和后端数据采集设备的中间环节。稳态流量测量系统，是一个典型的模拟信号采集、显示、记录系统，利用虚拟仪器的方便、快捷的界面以及简单的编程方法，完全适合此套系统的开发。本测量系统采用NI公司的LabVIEW作为软件开发环境，引入“软件就是仪器”的设计思想，通过虚拟仪器这个可视化平台，编辑采集软件，通过LabVIEW平台多种编程语言数据接口实现对VB、VC等编程语言的调用，可以大大提高工作效率，实现稳态流量数据后期处理工作。为了增加软件的可靠性和可维护性，软件采用了递进式结构，将LabVIEW应用程序分为三个层次：第一层为主程序层，由用户界面和测试执行部分构成；第二层是测试层；第三层是驱动层，负责与硬件设备进行通信。

图3 虚拟仪器测试系统组成

2.2 采集程序的开发

（1）采集程序的开发。虚拟仪器设计的目的是编制相应的软件，用软件代替传统仪器进行数据采集、传输、显示、处理和存储等功能。虚拟仪器前面板是在计算机屏幕上生成一个图形用户界面，用户可以在前面板上设置控制按钮和显示窗口两类对象，并可以通过开关和按钮对虚拟仪器进行操作，图4为低温流量采集系统的前面板设计，低温流量采集系统采用实时趋势图，来显示稳态流量测量图形的变化，生成的新数据连续出现在已形成数据的后面，波形连续向前逐步推进显示。得到的测量数据可实时进行存储，以便后期进行分析处理。

图4 稳态流量采集系统的前面板

虚拟仪器后面板，是控件的源程序，可在流程图中对控件进行编程，稳态流量测量系统的后面板设计，主要由数据采集单元、运算单元、显示单元等组成，数据采集卡的采样频率设为1000Hz,数据采集通道选择Aio输入，数据采集（Data Acquisition-DAQ）系统的基本任务是产生或测量物理信号，NI公司生产了组建完整的DAQ系统所需的全部组件。LabVIEW的数据采集程序在完成显示和采集功能的同时，也完成了对采集通道各种参数的配置功能。

（2）采集程序的组成。低温流量数据采集系统主要包括：界面操作控制系统、数据曲线显示系统、数据处理分析模块。①界面操作控制系统。界面控制模块包括界面开始采集按钮，停止采集按钮，结束按钮、记录按钮，采集速率选择、记录文件路径选择等，而且对应按钮操作，配有指示灯的亮、暗显示，方便用户了解系统工作情况。②数据曲线显示系统。将稳态流量实时曲线显示在系统界面上，可以变换曲线显示的时间坐标轴，方便用户对流量趋势做出判断。③数据处理分析模块。当原始数据采集工作完成后，就可以进入数据处理模块，通过此模块，可以方便地得到稳态流量计算结果。

（3）数据处理模块的开发。尽管LabVIEW的功能非常强大，但是有些时候还是需要调用其它应用程序来辅助其编程，这些调用程序极大的丰富了LabVIEW的功能，拓展了LabVIEW的使用范围。数据处理模块是利用LabVIEW应用程序的接口功能，调用了一段VB开发程序，该模块的主要功能是载入指定的数据文件，并根据容器校验表和启动信号数据、对介质液面三角波信号数据进行分析和计算，输出介质在指定时间段内的稳态体积流量。整个模块程序框图，如图5。

图5 数据处理软件程序框图

应用上述测试系统进行了液体火箭发动机试验稳态流量采集计算工作。本系统在搭载试验和试运行过程中，工作稳定、可靠，很好地完成了稳态流量的采集，计算工作。通过虚拟仪器在本套系统中的应用，增加了稳态流量测量系统的模块化、智能化、提高了系统的先进性，提高了开发效率。在航天测试系统中引入虚拟仪器，对顺利完成试验，提高系统可靠性具有一定意义。

3 结语

应用本文研究设计的虚拟仪器系统进行了液体火箭发动机地面校准试验中稳态流量的数据采集工作，经试验数据分析结果表明，该系统测量准确度较高，抗干扰能力较强，很好的完成了国家重点型号发动机试验的稳态质量流量测量工作。通过虚拟仪器在本系统中的应用，实现信号采集模块化，集成化，简化了编程人员通过各种编程语言对硬件操作，用软件实现传统仪器的数据采集、存储和显示功能。通过虚拟仪器这个可视化平台，编辑采集软件，通过LabVIEW平台多种编程语言数据接口实现对VB、VC等编辑语言的调用，实现稳态质量流量数据后期处理工作，目前基于虚拟仪器的测试系统在航天测试工作中逐步成为主流。