張璇 王筱蓉 姜熠豪 高建偉

摘?要：

為了解決傳統(tǒng)定容燃燒彈系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作繁瑣、數(shù)據(jù)采集精度低、數(shù)據(jù)傳輸慢和系統(tǒng)控制效果差等問題，設(shè)計(jì)了一種定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。首先，對(duì)定容燃燒彈各系統(tǒng)進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，結(jié)合傳感器、點(diǎn)火線圈和高速攝像機(jī)等硬件搭建系統(tǒng)的功能模塊；其次，完善LabVIEW軟件編程上位機(jī)對(duì)單片機(jī)、cRIO控制器組成的下位機(jī)的系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)采集；最后，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的性能。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了定容燃燒彈系統(tǒng)的集成化，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)步驟，提高了實(shí)驗(yàn)效率，提升了數(shù)據(jù)采集精度和數(shù)據(jù)傳輸速度，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與控制的數(shù)字化、圖像化和自動(dòng)化。所設(shè)計(jì)的定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可進(jìn)行預(yù)混燃燒及噴霧實(shí)驗(yàn)，可為內(nèi)燃機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)等燃燒室的設(shè)計(jì)及合理應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：

熱工測(cè)量與儀器儀表；定容燃燒彈；LabVIEW；傳感器；數(shù)據(jù)采集

中圖分類號(hào)：

TK39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI： 10.7535/hbgykj.2024yx01009

LabVIEW-based fixed-volume incendiary bomb control and data acquisition system design

ZHANG Xuan， WANG Xiaorong， JIANG Yihao， GAO Jianwei

（College of Mechanical Engineering， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang， Jiangsu 212100， China）

Abstract：

In order to solve the problems of cumbersome experimental operation， low data acquisition accuracy， slow data transmission and poor system control effect of the traditional fixed-volume incendiary bomb system， a fixed-volume incendiary bomb data acquisition and control system was designed. Firstly， the scheme design of each system of fixed-volume incendiary bomb was carried out， and the functional modules of the system were built by combining the sensors， ignition coils and high-speed cameras and other hardware. Secondly， the system control and data acquisition of the host computer with LabVIEW software programming for the lower computer composed of the single-chip microcomputer and cRIO controller were improved. Finally the performance of the system was verified by experimental tests. The design results show that the designed control and data acquisiton system realizes the integration of the fixed-volume incendiary bomb system， optimizes the experimental steps， improves the experimental efficiency， improves the accuracy of data acquisition and data transmission speed， and achieves the digitization， visualization and automation of the system data acquisition and control. The designed fixed-volume incendiary bomb control and data acquisition system can carry out premixed combustion and spray experiments， which provides a reference for the design and rational application of combustion chambers such as internal combustion engines and gas turbines.

Keywords：

thermal measurement and instrumentation; fixed-volume incendiary bomb；LabVIEW；sensors；data acquisition

隨著中國汽車保有量的急劇增加，由此引發(fā)的環(huán)境問題也越來越嚴(yán)重[1]。內(nèi)燃機(jī)作為汽車動(dòng)能來源，其主要依靠燃燒汽油、柴油等石油制品來獲取動(dòng)能輸出[2-3]，而在燃料燃燒過程中產(chǎn)生的各種廢氣嚴(yán)重污染生態(tài)環(huán)境，被認(rèn)為是可持續(xù)發(fā)展道路上的主要障礙之一[4-6]。因此，國內(nèi)外學(xué)者開始不斷尋找對(duì)環(huán)境友好的可再生替代燃料，如氫燃料和麻風(fēng)樹油燃料等清潔能源[6-8]。

為探索燃料在內(nèi)燃機(jī)燃燒過程中的燃燒特性，需要進(jìn)行數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)分析，但數(shù)值模擬所獲取的燃燒模型很難準(zhǔn)確描述燃燒過程與燃燒機(jī)理，因此必須采用實(shí)驗(yàn)的方式來獲取燃燒特性數(shù)據(jù)[9-13]?？紤]到內(nèi)燃機(jī)燃燒過程涉及燃燒、傳熱等復(fù)雜因素，且需控制各個(gè)參數(shù)與燃燒條件[13-16]，為此搭建了定容燃燒彈系統(tǒng)來觀測(cè)燃料在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的燃燒狀況?；诓煌膶?shí)驗(yàn)?zāi)康模瑖鴥?nèi)外學(xué)者所搭建的定容燃燒彈系統(tǒng)也多種多樣，PRASAD等[17]采用激光點(diǎn)火方式進(jìn)行定容彈燃燒實(shí)驗(yàn)，研究了火焰?zhèn)鞑ニ俣扰c氫氣含量的關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)單一，局限于預(yù)混燃燒；岳卿[18]基于PLC搭建了預(yù)混式定容燃燒彈系統(tǒng)，[HJ2.1mm]研究了摻氫天然氣-空氣-稀釋氣體混合氣在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的預(yù)混燃燒過程，并獲得了不同參數(shù)下的層流燃燒速度，但實(shí)驗(yàn)對(duì)象局限于預(yù)混燃燒；蔣德明等[19]為研究湍流燃燒，在預(yù)混式定容燃燒彈的基礎(chǔ)上增加了磁耦合風(fēng)扇，隨后對(duì)甲烷-空氣進(jìn)行湍流燃燒實(shí)驗(yàn)，探明了甲烷-空氣在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的燃燒規(guī)律，但實(shí)驗(yàn)時(shí)點(diǎn)火與高速攝像機(jī)不能同步觸發(fā)，系統(tǒng)時(shí)序性低。

本文基于虛擬儀器LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)一種定容燃燒彈系統(tǒng)，其具有溫控加熱、點(diǎn)火控制、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、過溫報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的集成化，優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)步驟。

1?控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1?系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

定容燃燒彈系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要由定容燃燒彈、燃料注射及排氣模塊、溫控加熱模塊、點(diǎn)火模塊、時(shí)序控制模塊、紋影成像模塊、數(shù)據(jù)采集模塊7個(gè)部分組成。

1.1.1?燃燒彈腔體設(shè)計(jì)

采用八棱柱作為主體框架，腔體內(nèi)部有燃燒腔供燃料燃燒，預(yù)留多個(gè)孔供進(jìn)氣管、排氣管、傳感器及點(diǎn)火裝置的安裝，同時(shí)設(shè)計(jì)了石英窗方便觀察、記錄燃燒過程。該燃燒彈耐高溫、高壓，且有較強(qiáng)的密封性。

1.1.2?燃料注射及排氣模塊

燃料注射及排氣模塊如圖2所示，注油帽中裝有密封墊圈，防止燃料氣體漏出，注油閥與注油帽采用螺紋連接，同時(shí)外敷一層隔膜增加密封性。燃料注射步驟：關(guān)閉注油閥，打開排氣閥和壓力表保護(hù)閥，打開真空泵進(jìn)行抽氣，壓力表顯示0.5 bar后停止抽氣，打開注油閥，注射燃料完成后關(guān)閉注油閥，取下注油帽。

1.1.3?溫控加熱模塊

為研究不同溫度下燃料的燃燒過程，需要把燃燒彈內(nèi)部溫度設(shè)置為初始值。選用WRPK-231鎧裝熱電偶（上儀集團(tuán)提供）對(duì)燃燒彈溫度加熱，根據(jù)數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)用電壓控制加熱電源回路的開關(guān)，并利用LabVIEW設(shè)計(jì)了熱電偶標(biāo)定、溫度監(jiān)測(cè)和加熱電源控制程序。

1.1.4?點(diǎn)火模塊

采用STC單片機(jī)控制點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)單元，點(diǎn)火線圈驅(qū)動(dòng)器選用VB325SP芯片（意法半導(dǎo)體（ST）集團(tuán)提供），該芯片具有低電壓鉗位、熱關(guān)機(jī)與內(nèi)部電流限制、防止過熱的特征。點(diǎn)火過程：單片機(jī)收到點(diǎn)火信號(hào)后發(fā)送指令至VB325SP芯片，VB325SP芯片開始充電，充電完成后釋放高電壓點(diǎn)燃點(diǎn)火線圈，點(diǎn)火指示燈亮起，點(diǎn)火完成。

1.1.5?時(shí)序控制模塊

混合燃料在定容燃燒彈內(nèi)的燃燒過程是在一瞬間完成的，所以需要嚴(yán)格控制高速攝像機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡在點(diǎn)火發(fā)生時(shí)被同步觸發(fā)。選用DG645數(shù)字延時(shí)發(fā)生器（美國Scott Rotary Seals（SRS）公司提供）作為同步觸發(fā)設(shè)備，DG645數(shù)字延時(shí)發(fā)生器具有精準(zhǔn)8路延時(shí)輸出端口，輸出延時(shí)為0～2 000 s，分辨率為5 ps。

1.1.6?紋影成像模塊

紋影成像模塊主要由光源、光學(xué)元件及高速攝像機(jī)組成，模塊整體呈“Z”字形布置，利用鏡面反射原理記錄實(shí)驗(yàn)過程。攝像機(jī)選用日本Phtron公司提供的SAD高速攝像機(jī)，相機(jī)分辨率為1 024 dpi×1 024 dpi，最高拍攝速度為15 000幀/s?？紤]到攝像機(jī)內(nèi)存有限，實(shí)驗(yàn)時(shí)常設(shè)置分辨率為512 dpi×512 dpi，拍攝速度為8 000幀/s。

1.1.7?數(shù)據(jù)采集模塊

實(shí)驗(yàn)時(shí)需采集預(yù)混燃燒的初始溫度及燃料燃燒過程的燃燒彈內(nèi)的壓力值，初始溫度通過溫控加熱模塊采集。選用德國Bosch公司提供的6115B測(cè)量式火花塞進(jìn)行燃燒彈壓力測(cè)量，該火花塞不僅可以實(shí)現(xiàn)火花點(diǎn)火功能，而且能夠測(cè)量燃燒動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。信號(hào)采集后由采集卡收集信號(hào)，傳入PC端儲(chǔ)存。

1.2?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在定容燃燒彈內(nèi)進(jìn)行燃燒實(shí)驗(yàn)，需要采集的信號(hào)有混合燃料溫度與燃燒過程的壓力值。由于被控對(duì)象是加熱電源，數(shù)據(jù)采集裝置需要能夠快速采集模擬信號(hào)并支持開關(guān)型輸入輸出。郝光健[21]使用的采集卡雖能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，但數(shù)據(jù)采集精度不高。所以系統(tǒng)選用美國國家儀器有限公司（簡稱NI公司）研發(fā)的cRIO-9043控制器和C系列模塊NI9265進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)采集，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集，也保證了數(shù)據(jù)精度。cRIO-9043控制器內(nèi)置8 GB內(nèi)存，可重置FPGA、RT實(shí)時(shí)處理器和控制器PFIO，控制器的最大輸入輸出頻率為1 MHz，采樣精度為5×10-5。NI9265模塊有4個(gè)通道，且輸出速度高達(dá)100 kS/s，輸出范圍為0～20 mA，分辨率為16 bit。

1.3?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件由上位機(jī)與下位機(jī)組成。

1）下位機(jī)單片機(jī)程序是在Keil uVision5集成開發(fā)環(huán)境下，采用C語言編寫。程序整體采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括初始化程序、主程序、I2C數(shù)據(jù)發(fā)送程序和串口中斷程序。下位機(jī)流程圖如圖3所示。

2）上位機(jī)單片機(jī)程序是基于NI公司研發(fā)的LabVIEW虛擬儀器及相關(guān)庫函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的。LabVIEW是一種圖形化編程G語言，在儀器測(cè)量及數(shù)據(jù)采集方面有廣泛的應(yīng)用。本系統(tǒng)基于LabVIEW2018開發(fā)上位機(jī)程序，程序主要包括熱電偶標(biāo)定程序、溫控加熱程序、燃料注射量計(jì)算程序、點(diǎn)火控制程序和動(dòng)態(tài)壓力采集程序。上位機(jī)前面板如圖4所示。

1.3.1?熱電偶標(biāo)定程序

調(diào)用LabVIEW事件結(jié)構(gòu)控件，主要由“讀取”“標(biāo)定”“刪除”“退出”4個(gè)事件組成。程序開始前進(jìn)行初始化；當(dāng)判斷無其他事件執(zhí)行時(shí)執(zhí)行“讀取”事件，程序配置C系列模塊采集卡并啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換，等待1 s后采集卡采樣，將采集的電壓值存入數(shù)組，數(shù)組索引自動(dòng)加1；讀到錯(cuò)誤數(shù)據(jù)后，可刪除錯(cuò)誤數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)組索引值減1，獲得10組電壓值和溫度值后停止讀取，利用最小二乘法對(duì)電壓與溫度進(jìn)行線性擬合，生成輸出方程和擬合曲線，將擬合后的斜率、截距存入內(nèi)存中，完成后退出子程序，返回主程序。程序流程圖如圖5所示。

1.3.2?溫控加熱程序

圖6為溫控加熱程序流程圖。程序配置采集卡AD轉(zhuǎn)換，可根據(jù)標(biāo)定后儲(chǔ)存在內(nèi)存中的斜率與截距將采樣的電壓值轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)溫度并顯示。對(duì)溫度進(jìn)行判斷，當(dāng)小于目標(biāo)溫度時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)加熱電源釋放低電平，開啟電源加熱；當(dāng)大于目標(biāo)溫度時(shí)，高溫預(yù)警燈亮起，控制器驅(qū)動(dòng)加熱電源釋放高電平，關(guān)閉電源加熱。

1.3.3?燃料注射量計(jì)算程序

圖7所示為燃料注射量計(jì)算程序。燃料注射量計(jì)算的原理：在體積為V0的定容彈中，可以根據(jù)理想氣體方程求出指定溫度T、壓力p下的氣體總物質(zhì)的量，見式（1）。

nt=pV0/RT，（1）

式中：R=8.314 J/（mol·K；nt為氣體總物質(zhì)的量。

對(duì)于任意單一燃料CxHyOz，假設(shè)所注入的燃料氣化后物質(zhì)的量為n，那么容彈中空氣物質(zhì)的量為（nt－n），其中氧氣的物質(zhì)的量為0.21（nt－n）。單一燃料CxHyOz與氧氣完全反應(yīng)的配平化學(xué)方程式見式（2）：

CxHyOz+x+y/4-z/2O2=

xCO2+

y/2H2O。[JY]（2）

根據(jù)式（2）可以推出與氧氣完全反應(yīng)所需要的燃料的量為

k=0.21（nt-n）x+y4-z2。（3）

當(dāng)量比的計(jì)算公式：

=nk。（4）

根據(jù)式（5）可以推導(dǎo)出當(dāng)量比下所需要的燃料物質(zhì)的量：

n=0.21nt0.21+x+y4-z2。（5）

按照上述公式編寫計(jì)算程序，可計(jì)算出一定溫度、壓力、當(dāng)量比下的混合燃劑注射量。

1.3.4?點(diǎn)火控制程序

上位機(jī)通過串口發(fā)送點(diǎn)火信號(hào)給下位機(jī)，下位機(jī)收到信號(hào)準(zhǔn)備點(diǎn)火。調(diào)用LabVIEW的VISA節(jié)點(diǎn)，點(diǎn)擊點(diǎn)火按鈕時(shí)，程序通過VISA發(fā)送信號(hào)至單片機(jī)，等待1 s后點(diǎn)火完成，指示燈亮起。圖8所示為串口信號(hào)發(fā)送程序。

1.3.5?動(dòng)態(tài)壓力采集程序

該程序通過DAQ數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集壓力信號(hào)，并將采集數(shù)據(jù)儲(chǔ)存至TDMS文件中。點(diǎn)火發(fā)生前，設(shè)置采樣通道為單通道多采樣，采樣頻率為500 kHz，采樣時(shí)間為400 ms。點(diǎn)火信號(hào)觸發(fā)后，同步觸發(fā)器釋放觸發(fā)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集卡立刻進(jìn)入儲(chǔ)存采樣工作模式，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，數(shù)據(jù)采集后調(diào)用MATLAB高斯擬合節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差消除。數(shù)據(jù)采集和儲(chǔ)存程序框圖如圖9所示。

2?實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果分析

1）壓力曲線

為了測(cè)試系統(tǒng)性能，使用cRIO-9043控制器配合NI9265系列模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采集卡設(shè)置采樣時(shí)間為400 ms，采樣頻率為500 kHz，采樣次數(shù)為1.9×105。本文采用乙醇-氫氣混合燃燒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在初始溫度為370 K、壓力為1 bar的環(huán)境條件下，分別對(duì)當(dāng)量比為0.8、1.0、1.2的混合氣體進(jìn)行混合燃燒實(shí)驗(yàn)，通過程序運(yùn)算后獲得各當(dāng)量比下的乙醇、氫氣注射量。

圖10為乙醇-氫氣混合氣燃燒壓力曲線。

定容彈內(nèi)的壓力隨著點(diǎn)火發(fā)生后迅速升高，1.0和1.2當(dāng)量比下的乙醇-氫氣混合氣燃燒，50.0 ms內(nèi)迅速達(dá)到6.8 bar最大氣壓，隨后壓力值慢慢降低，380.0 ms后降至3 bar；0.8當(dāng)量比下的乙醇-氫氣混合氣燃燒后的壓力值提升相對(duì)較慢，需65.0 ms后達(dá)到6 bar最大氣壓，同樣于380.0 ms后壓力值降至3 bar。圖中的各壓力數(shù)據(jù)完整且連續(xù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)燃燒彈動(dòng)態(tài)

壓力數(shù)據(jù)錯(cuò)亂缺失的不足，但壓力曲線距理想狀態(tài)仍有差距，將在后續(xù)研究中對(duì)其改良。

2）紋影圖像

圖11顯示了在4 bar壓力下預(yù)混乙醇-氫氣火焰的紋影圖像。

從圖中可以看出，在相同的火焰半徑下，乙醇-氫氣火焰表現(xiàn)出顯著的不穩(wěn)定性。在初始階段，由于強(qiáng)烈的火焰拉伸和彎曲的影響，球形火焰前表面相對(duì)光滑（穩(wěn)定）；

隨著半徑的增加，裂紋開始在火焰表面上形成并繼續(xù)分裂，相交的裂紋開始形成越來越多尺寸不均勻的細(xì)胞，直到最終形成完全細(xì)胞狀態(tài)。隨著當(dāng)量比的增加，火焰的褶皺和細(xì)胞化程度增加，火焰表面形成的細(xì)胞數(shù)量增加，火焰不穩(wěn)定性增加，火焰失穩(wěn)發(fā)生時(shí)間提前。清晰的紋影圖像和完整的球狀火焰對(duì)研究混合燃料爆炸歷程具有極大的價(jià)值，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)燃燒彈實(shí)驗(yàn)的不足。

3?結(jié)?語

本文以定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集為核心，設(shè)計(jì)了定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并通過實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的整體性能進(jìn)行了測(cè)試分析。

1）針對(duì)定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需求，設(shè)計(jì)了燃料注射及排氣模塊、溫控加熱模塊、點(diǎn)火模塊、時(shí)序控制模塊、紋影成像模塊、數(shù)據(jù)采集模塊等6個(gè)模塊，并通過NI cRIO-9043控制器及單片機(jī)組成的下位機(jī)與LabVIEW軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)燃燒彈實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)采集功能。

2）經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，壓力曲線平滑，混合燃料燃燒時(shí)動(dòng)態(tài)壓力達(dá)到預(yù)期目標(biāo)；紋影圖像清晰，火焰燃燒爆炸效果較好，說明系統(tǒng)的整體性能良好，滿足預(yù)混燃燒及噴霧的實(shí)驗(yàn)條件。

3）設(shè)計(jì)的定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)定容燃燒彈系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度不高和系統(tǒng)控制信號(hào)傳輸慢的缺陷。

但是，點(diǎn)火系統(tǒng)仍有不足，未來將對(duì)其進(jìn)行研究。

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收稿日期：2023-03-02;修回日期：2023-12-02；責(zé)任編輯：王海云

基金項(xiàng)目：江蘇省研究生創(chuàng)新基金（SJCX22_1913）

第一作者簡介：

張璇（1999—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生，主要從事能源動(dòng)力工程方面的研究。

通信作者：

王筱蓉教授。E-mail：wangxiaorong_just@163.com

張璇，王筱蓉，姜熠豪，等.

基于LabVIEW的定容燃燒彈控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［J］.河北工業(yè)科技，2024，41（1）：69-76.

ZHANG Xuan，WANG Xiaorong，JIANG Yihao，et al.

LabVIEW-based fixed-volume incendiary bomb control and data acquisition system design

［J］. Hebei Journal of Industrial Science and Technology，2024，41（1）：69-76.