基于虚拟仪器技术的气体流量标定系统的设计

　　0　引言

　　气体流量标定系统是生产和检验气体流量传感器的重要设备。基于LAB windows CVI虚拟仪器开发平台,结合正压法及音速喷嘴原理设计气体流量标定系统,能解决传统的气体流量标定系统成本高等缺点,提高检定精度及自动化程度。该技术已在某型航空高精度气体流量自动标定系统中成功应用。

　　1　定流原理

　　气流标定是利用气体流量标定系统产生的标准流量,来检定被测对象。产生稳定精确的标准流量的原理方案主要有风洞检定,音速喷嘴检定,校准流量计检定等几种。采用音速喷嘴检定方案具有精度高,工作稳定,易实现自动控制的优点。

　　当音速喷嘴上下流压力之比达到临界状态(空气为0.528),质量流量G_g与下游压力无关,可以用式(1)确定:

　　式中:C为喷嘴流出系数;A为喷嘴喉口截面积,m²;r为气体决热指数;ρ₀为入口气体密度,kg/m;P₀为入口压力,Pa;Q为气体的摩尔质量,g/mol;T为气体的温度,K;R为理想气态常数。

　　由式(1),式(2)联立求解可得:

　　式(3)表明,当C、Q、R、r基本为常值时,G_g只和P₀、A、T相关。为产生稳定标准流量,应稳定P₀、T,通过改变A来获得标准流量。标定系统的定流部分原理如图1所示,通过计算机切换电磁阀来改变系统喷嘴喉口截面积A,则可得到不同标定气体流量,再经均流器均流,使管道中的流场分布均匀,就可得均匀稳定的标准流量。

　　2　系统组建及硬件配置

　　采用自上而下的方式组建系统,组建流程如图2所示。

        根据测试原理,考虑到成本和扩展性等,选用PXI-6323板(IO板,24 in/24 out),进行电磁阀的控制。PXI-6115(AD/DA板,集成4路12位10μs/s模入通道,2路12位4 ms/S模出通道,8路I/O线,2路计数器)作数据采集板,实时采集P₀、T,被测传感器流量。系统测控部分结构如图3。

　　3　软件实现

　　虚拟仪器将计算机资源、仪器测试硬件和测试软件平台有机结合,为用户提供了一个可二次开发的自动测控平台,大幅度地降低了测控系统的开发成本和开发周期,推动了测控系统迈向标准化和通用化。

　　虚拟仪器技术的核心是软件,其主要开发平台有文本式和图形式两种,考虑到编程效率高,维护方便,选用文本开发平台Labwindows CVI,采用数据流程自上而下的编程方式,利用NIANSIC开发环境提供的功能面板,将复杂费时的软件编程简化为图表的连接调用。通过调用“仪器驱动”库,可方便地操纵控制板上的I/O口状态,实现对仪器的控制;通过调用图表函数和文件I/O函数,可实现系统的数据存储、历史数据回放;通过调用实时监控函数,可对系统入口的最大压力进行实时监控,提高系统的可靠性和安全性。在数据处理阶段,通过改变显示的单位,放大倍数及被测传感器的曲标曲线拟合公式,基于同一个硬件检定系统,实现多种传感器的检定,减少检定时间和成本。