基于LabVIEW的等离子木纤维净化器性能检测系统设计

郭秀荣，马超，王迎辉，徐岳峰，杨潇

0 引言

等离子木纤维净化器是低温等离子体与微米木纤维协同作用，使得PM与NOx同时得到净化的一种新型柴油车尾气后处理技术，在等离子木纤维净化器净化柴油车尾气的过程中，尾气流速、温度和发动机转速对其净化性能均有影响［1］。根据柴油发动机尾气检测的相关标准，需要实时监测尾气温度、排气背压以及NOx的浓度，实现对净化器净化性能的综合分析。

目前市面上的相关气体分析仪器难以实现多种数据组态分析的功能［2］。LabVIEW是虚拟仪器领域中最具有代表性的图形化编程开发平台之一［3-6］，不仅在很大程度上降低了汽车尾气检测系统的开发费用，缩短了系统的开发周期，同时，基于虚拟仪器的测试系统界面直观、易于操作并且可实现数据组态的分析［7-8］。

基于以上考虑，本文分别对净化器检测系统的硬件部分和软件部分进行设计，采用全图形化编程，开发柴油发动机尾气检测系统，绘制出NO浓度、NO2浓度、尾气温度以及压力随时间变化的关系曲线图，并对净化器进行发动机台架试验，以便验证该检测系统的准确性和可操作性。

1 系统硬件设计配置与实现

柴油车尾气检测系统主要由传感器、信号调理器、数据采集卡、计算机和开发软件等组成［9-10］。检测系统硬件结构设计如图1所示。

图1 系统硬件构成框图Fig.1 The block diagram of system hardware structure

该系统涉及两路气体通道、一路温度通道、两路压力通道和两路备用通道，各传感器选型见表1。

信号调理器的作用是把传感器的电荷量、电阻量等非电压量转化成电压量并且对微弱的信号进行放大［11］。数据采集卡是连接待测元件和上位机的桥梁，把采集到的电量信号送到上位机进行处理和分析，从温度传感器和压力传感器上直接采集到的信号均是模拟信号，而上位机不能直接处理模拟信号，因此需要进一步进行信号调理及A/D转换［12-16］，把所采集到的模拟信号转换成数字信号，并通过计算机对信号进行分析、运算和处理，生成所需要的波形图谱以及趋势曲线，便于研究者进行数据的分析［17-19］。

本系统所使用的PCI-1710是一款功能强大的低成本多功能PCI总线数据采集卡，其特别适合用于构成数据采集与控制试验系统，完成多种测控试验。其包含5种最常用的测量和控制功能：16路单端或8路差分模拟量输入、12位A/D转换器（采样速率可达100 kHz）、2路12位模拟量输出、16路数字量输出及计数器/定时器功能［20］。一个完整的尾气检测系统还需要用到接线端子板和通讯电缆，电缆采用PCL-10168型，其主要作用是为了将各信号间的交叉干扰降到最小［21］。接线端子板采用ADAM-3968型，是DIN导轨安装的68芯SCAI-II接线端子板，用于各种输入输出信号的连接。

当PCI-1710板卡设备安装在电脑主机的PCI插口以后，打开设备管理程序Advantech Device Manager，如图2所示，由此证明PCI-1710数据采集卡的硬件和软件均已安装完毕，接下来需要对板卡设备进行测试，主要测试项目包括模拟量输入、模拟量输出、数字量输入、数字量输出以及计数器功能。

图2 驱动安装界面Fig.2 Drive installation interface

2 系统软件设计

柴油发动机尾气检测系统以LabVIEW2012为软件开发平台，以研华1710数据采集卡作为信号采集工具。该系统主要是通过上位机的人机界面功能，利用数据采集卡以及各种传感器达到采集柴油车尾气中NO和NO2以及台架试验中各性能参数，并直观表现在上位机界面。综合分析柴油发动机尾气检测系统的工作目标，所设计的软件系统主要功能模块划分如图3所示。

图3 软件系统功能模块Fig.3 Function module of software system

柴油发动机尾气检测系统由用户管理模块和检测模块构成，用户管理模块可以通过设置用户名和用户密码，从而控制用户权限、记录用户行为、保护操作的安全。图4描述了登录界面所对应的程序框图。

图4 登录界面程序框图Fig.4 Login interface program block diagram

检测模块采用主界面面板将柴油发动机尾气检测系统分为通道参数配置、各通道采集控制命令按钮以及错误提示等主要功能区，同时还包括对各通道所采集信号进行数据分析与处理功能。其中，主要包括5种测试参数（NO浓度、NO2浓度、温度、净化器入口段压力即压力1、净化器出口段压力即压力2）的数字显示控件以及所对应的波形图，同时主界面还包括尾气温度显示条、当前时间、暂停采集命令控制按钮。

通道参数设置面板下可以任意设定数据采集的通道，默认值为从0到5，即可以选择6路信号同时采集，本系统最大可以扩展到同时进行16路的单端或者8路的差分数据采集。本系统所采用1 710数据采集卡工作在增益为1的状态下，输入量程设置为-5.00 V～+5.00 V。

3 实验验证

为了验证柴油发动机尾气检测系统的可操作性和检测结果的准确性，采用普通测量法［22］对其进行发动机台架实验，并将LabVIEW虚拟仪器所测得的实验数据和通过GASBOARD尾气分析仪、TM330红外测温仪以及YTN150压力表所测得的实验数据进行对比分析，完成对该检测系统的调试和验证，发动机台架如图5所示。

图5 柴油发动机尾气检测系统试验台架Fig.5 Text bench of diesel engines exhaust gas detection system

在此次试验中，所选用发动机为Lister Petter AA1单缸柴油发动机，整个试验过程均在室内进行。室内温度为20 ℃，将柴油机节气门开度设置为50%，柴油发动机转速设置为2 000 r/min，记录发动机在不同运转时刻下NO和NO2的浓度瞬态值，试验总时长为100 h。在试验过程中，打开柴油发动机，先预热30 min，然后每隔10 h使用尾气分析仪分别记录NO和NO2的浓度值，使用测温仪检测冷却器后端排气管尾气温度值，使用压力表测净化器两端压力值。如图6～8所示为发动机节气门开度为50%、转速为2 000 r/min时LabVIEW虚拟仪器实时趋势曲线和不同时刻下测量值的对比分析曲线。

图6 NO、NO2浓度对比分析曲线Fig.6 NO、NO2 concentration comparison analysis curve

图7 温度对比分析曲线Fig.7 Temperature comparison analysis curve

图8 排气背压对比分析曲线Fig.8 Exhaust backpressure comparison analysis curve

从图6～8中可以看出，LabVIEW虚拟仪器实时检测结果为连续变化的曲线，其中NO和NO2的浓度分别在25～40 ppm和5～10 ppm范围内变化；而尾气温度保持在80～100 ℃范围内，最高可达100 ℃；排气背压在650～800 Pa。从整体上可以看出，发动机节气门开度为50%，转速为2 000 r/min，发动机运转总时长为100 h时，在相同时刻通过尾气分析仪所测得的NO和NO2浓度值、尾气温度值、排气背压与LabVIEW虚拟仪器实时采集值基本吻合。本次开发的柴油发动机尾气检测系统能达到测量预期目标，实现了对发动机台架试验中所需参数测量的需求。

4 结论

基于LabVIEW的等离子木纤维净化器性能检测系统具有操作方便、界面清晰直观、容易实现检测系统功能性的优点，同时，LabVIEW虚拟仪器本身编程效率高，系统升级方便快捷，在尾气检测方面具有很好的应用前景。本文具体结论如下：

（1）本文所设计的检测系统以LabVIEW虚拟仪器为开发平台，可以准确的将柴油车尾气中NO和NO2的浓度以及尾气温度进行检测与采集，并且以波形图谱的形式准确的绘制出实时变化趋势曲线。

（2）本文通过柴油发动机台架试验，将LabVIEW虚拟仪器所采集数据与尾气分析仪和测温仪及压力表采集数据进行对比分析，在相同时刻下，两组试验数据基本吻合，验证了该系统的准确性和实用性，可以实现对等离子木纤维净化器性能检测的需求。

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