基于LabVIEW的动静涡旋端面摩擦温度测试系统

摘要：无油润滑涡旋压缩机动静涡旋端面摩擦温度是反映压缩机工作性能的重要参数。为真实实现端面摩擦温度的测量，采用了摩擦温度信号的非接触热平衡测量方法，通过虚拟仪器软件开发平台LabVIEW及相关硬件产品，构建动静涡旋端面摩擦温度测试系统，实现温度信号的实时采集，提高了测量精度。结果表明，相比传统的信号采集系统，基于LabVIEW的数据采集系统具有成本低廉，人机界面友好，开发周期短，数据处理简单方便以及便于维护等优点。这将对无油润滑涡旋压缩机动力学特性分析、理论设计和提高其性能等具有重要的意义。
关键词：涡旋压缩机；LabVIEW；摩擦温度；信号采集

    涡旋压缩机是一种新型容积式压缩机，具有结构简单、运转平稳、效率高、可靠性高等特性，其应用范围目前已从制冷、动力工程向医药、食品、燃料电池等需求无油污染的洁净压缩气体的领域拓展。涡旋压缩机主要由动静涡旋、曲轴、防自转机构和支架组成。动涡旋在防自转机构的约束下，由曲轴带动相对静涡旋作公转平动。由于运转过程中存在较多摩擦副，因此，实现无油润滑，不同材料对偶摩擦副的摩擦温度是研究的关键问题之一。摩擦副产生的热量对压缩机的性能和摩擦副的磨损、润滑特性等都具有很大的影响，所以，对摩擦副的摩擦温度的研究将对涡旋压缩机的动力学特性分析、理论设计和提高其性能等具有重要的意义。
    本文基于虚拟仪器软件开发平台，借助其强大功能实现了动静涡旋端而摩擦表面温度信号的采集。LabVIEW (Laboratory Virtual Instr ument Engineer Workbench)是实验室虚拟仪器集成环境的简称，具有直观的前面板用户界面和流程图式的编程风格，同时还具有数据采集、数据处理、存贮打印等多种功能，是一个功能强大的图形化软件开发平台。其插入式DAQ板、SCXI卡等硬件以程序模块为基础，精度高，稳定性好，可以构建性能优良且廉价的测试系统。

1 涡旋端面摩擦副的结构及温度传感器的安装
    动静涡旋端面摩擦副结构示意如图1所示。将自润滑材料镶嵌在涡旋齿顶构成动静涡旋齿顶端面摩擦副，动涡旋盘在曲轴的驱动下作回转平动，动、静涡旋摩擦副在轴向力作用下紧密贴合，自润滑材料在涡旋盘金属材料表面生成一层自润滑转移膜，从而达到润滑作用。由于受传感器结构的限制以及为便于传感器的安装对动静涡旋盘进行简化，如图2所示，本测试系统在静涡盘上同一半径圆周上均匀布置4个温度传感器。

2 系统测量原理
    由于摩擦表面的温度梯发较大且是瞬时的，所以给测量表面温度带来了很大的困难。常见的摩擦表面温度测量方法有氪化法、红外测温法、热平衡法等。氪化法测温只能事后推导表面所经历过的最高温度而不能进行动态测量；红外测温法要求探头能直接看到摩擦表面，这对于非透明的摩擦材料是难以满足的；用热电偶法测量温度属于非接触式测温，它基于热平衡的原理，利用传感器的敏感元件与被测物体进行热交换，最后达到热平衡。该测试系统采用非接触热平衡法测量摩擦表面的温度。由热电偶温度传感器的测温原理知，一般情况下应对热电偶进行冷端补偿，即将其参考端设为0℃以保证测量温度的正确性。该系统采用0 ℃恒温器法，该装置如图3所示。将冰刨成屑状和水混合放入保温瓶内，水面应略低于冰面，并将冰压紧。0℃恒温器法是一种精度很高的参考端温度处理的方法适用于精密温度测量，可使参考端的误差到达可以忽略的程度。

3 采集系统的构成
    信号采集系统由传感器、数据采集卡和计算机等部分组成。图4为采集系统的结构框图。数据采集硬件的选择需根据具体的应用场合和现有的技术资源确定，由于本采集系统的应用场合为实验室，所以对采集系统硬件的要求较高。
3．1 传感器
    传感器选用热电偶式温度传感器，该系统采用北京国电中自电气有限公司的活动螺钉式热电偶，型号为：CA1D-2M6，分度号为K，测量范围为-40～300℃。其突出特点是：温度与热电势呈线性关系，灵敏度较高，抗干扰能力强，性价比高，活动螺钉式热电偶为螺丝式样．可以方便的固定在物体上。
3．2 数据采集卡
    数据采集卡，使用National Instrument公司的插卡式数据采集卡PCI-6221，LabVIEW软件具有专门的函数库可对该卡进行驱动，其硬件设置完全由软件实现，无需用户对硬件连接做任何改动。该卡采用PCI总线，有16路模拟信号输入端，可构成16个单通道输入或8对差分输入，最大采样率为250 kS／s，输入电压范围±10V。

4 测试系统软件设计
    动静涡旋端面摩擦温度的测试系统与传统测试系统的不同点在于：使用了虚拟仪器来代替传统的测试分析设备，所谓虚拟仪器(Virtual Instrument，VI)，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户设计定义，具有虚拟面板和测试分析功能的计算机仪器系统。软件设计基于LabVIEW自带子VI的基础上，实现数据采集、信号调理、数据存储和图形显示，波形回放等功能。系统流程图如图5所示。

4．1 软件界面设计
    软件界面提供了采集系统的各项参数设定，包括采集通道没置、采样模式的设定、采样点数目及采样率设定、被测目标范围设定、数据存储的设定。在软件界面中可实时观测整个测试过程各个通道温度的变化过程及平均温度变化，同时实现对滤波频率的控制，以及温度的限制。测试结束后会给出采集数据的最大值、最小值及平均值，方便测试者现场快速得出测试结论，测试完成后可保存当前测试的所有原始数据，以便进行记录和后期分析处理等。软件界面如图6所示。
4．2 软件程序设计
    数据采集程序的编写利用NI-DAQmx模块下的相关VI进行编程，实现动静涡盘摩擦温度信号的数据采集功能。首先使用DAQmx创建通道．  vi创建热电偶温度传感器的测试通道；其次用DAQmx定时．vi和DAQmx配置输入缓冲区．vi分别对采样频率和缓冲区大进行设置；然后，在DAQmx开始任务．vi的触发下，利用DAQmx读取．vi对设置的4个输入通道进行数据读取，并在前面板显示信号曲线；最后，利用DAQmx清除任务．vi清除任务。程序框图如图7所示。

    数据的存储是将采集到的信号参数进行保存，以便做后续的分析处理。为了满足不同数据的存储格式和性能需求，LahVIEW提供了多种类型的文件存储格式，比如，文本文件(txt)、二进制文件、数据记录文件、基于文本的测量文件(LVM)、数据存储文件(TDM)和TDMS文件等。本文选择基于TDMS数据记录文件(TDMS文件)进行数据的存储，这是一种能实现高速数据记录的二进制文件格式。启用TDMS数据记录后，NI-DAQ mx可将数据直接从设备缓冲区以流盘方式写入硬盘。NI-DAQmx将原始数据写入TDMS文件，提高了写入速度并降低了对硬盘的影响。文件格式的特点是它能将动态数据按一定格式存储在文本文件中，并且在数据前加上一些信息头，例如采集时间等，可以由Excel等文本编辑器打开查看其内容。

5 测试结果及分析
    系统设计完成后进行实试，4路温度传感器位于温场的不同位置，在试验台运行5 min后进行数据采集，表1是端面摩擦温度实验的部分实测数据。从实测数据可以看出，随着摩擦时间的增加温度值随之升高，最后趋于稳定；各被测点温度偏差最大为0．5 ℃，整个温场最大偏差为0．46 ℃，数据表明被测摩擦端面温场的均匀性和稳定性较好。

6 结语
    本文基于LahVIEW图形化编程语言，实现了对动静涡旋端面摩擦温度信号采集系统的设计，整个系统实现了信号采集、信号调理、数据存储、图形显示和波形回放等功能。无油润滑涡旋压缩机动静涡旋端面摩擦温度信号进行采集和存储，对动力学特性分析、理论设计和提高其性能等具有重要的意义。
    相比传统的信号采集系统，基于LabVIEW的数据采集系统具有成本低廉，友好的人机界面，开发周期短，数据处理简单方便以及便于维护等优点。