基于LabVIEW的定容燃烧弹控制与数据采集系统设计

张璇 王筱蓉 姜熠豪 高建伟

摘 要：

为了解决传统定容燃烧弹系统实验操作繁琐、数据采集精度低、数据传输慢和系统控制效果差等问题，设计了一种定容燃烧弹控制与数据采集系统。首先，对定容燃烧弹各系统进行方案设计，结合传感器、点火线圈和高速摄像机等硬件搭建系统的功能模块；其次，完善LabVIEW软件编程上位机对单片机、cRIO控制器组成的下位机的系统控制和数据采集；最后，通过实验测试系统的性能。结果表明：设计的控制与数据采集系统实现了定容燃烧弹系统的集成化，优化了实验步骤，提高了实验效率，提升了数据采集精度和数据传输速度，并实现系统数据采集与控制的数字化、图像化和自动化。所设计的定容燃烧弹控制与数据采集系统可进行预混燃烧及喷雾实验，可为内燃机和燃气轮机等燃烧室的设计及合理应用提供参考。

关键词：

热工测量与仪器仪表；定容燃烧弹；LabVIEW；传感器；数据采集

中图分类号：

TK39

文献标识码：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

隨着中国汽车保有量的急剧增加，由此引发的环境问题也越来越严重[1]。内燃机作为汽车动能来源，其主要依靠燃烧汽油、柴油等石油制品来获取动能输出[2-3]，而在燃料燃烧过程中产生的各种废气严重污染生态环境，被认为是可持续发展道路上的主要障碍之一[4-6]。因此，国内外学者开始不断寻找对环境友好的可再生替代燃料，如氢燃料和麻风树油燃料等清洁能源[6-8]。

为探索燃料在内燃机燃烧过程中的燃烧特性，需要进行数值模拟与实验分析，但数值模拟所获取的燃烧模型很难准确描述燃烧过程与燃烧机理，因此必须采用实验的方式来获取燃烧特性数据[9-13]。考虑到内燃机燃烧过程涉及燃烧、传热等复杂因素，且需控制各个参数与燃烧条件[13-16]，为此搭建了定容燃烧弹系统来观测燃料在内燃机内的燃烧状况。基于不同的实验目的，国内外学者所搭建的定容燃烧弹系统也多种多样，PRASAD等[17]采用激光点火方式进行定容弹燃烧实验，研究了火焰传播速度与氢气含量的关系，但实验系统单一，局限于预混燃烧；岳卿[18]基于PLC搭建了预混式定容燃烧弹系统，[HJ2.1mm]研究了掺氢天然气-空气-稀释气体混合气在发动机内的预混燃烧过程，并获得了不同参数下的层流燃烧速度，但实验对象局限于预混燃烧；蒋德明等[19]为研究湍流燃烧，在预混式定容燃烧弹的基础上增加了磁耦合风扇，随后对甲烷-空气进行湍流燃烧实验，探明了甲烷-空气在发动机内的燃烧规律，但实验时点火与高速摄像机不能同步触发，系统时序性低。

本文基于虚拟仪器LabVIEW软件平台设计一种定容燃烧弹系统，其具有温控加热、点火控制、实时数据采集、信号处理、数据存储、过温报警等功能，实现了系统的集成化，优化了实验步骤。

1 控制与数据采集系统设计

1.1 系统方案设计

定容燃烧弹系统的总体设计如图1所示。

该系统主要由定容燃烧弹、燃料注射及排气模块、温控加热模块、点火模块、时序控制模块、纹影成像模块、数据采集模块7个部分组成。

1.1.1 燃烧弹腔体设计

采用八棱柱作为主体框架，腔体内部有燃烧腔供燃料燃烧，预留多个孔供进气管、排气管、传感器及点火装置的安装，同时设计了石英窗方便观察、记录燃烧过程。该燃烧弹耐高温、高压，且有较强的密封性。

1.1.2 燃料注射及排气模块

燃料注射及排气模块如图2所示，注油帽中装有密封垫圈，防止燃料气体漏出，注油阀与注油帽采用螺纹连接，同时外敷一层隔膜增加密封性。燃料注射步骤：关闭注油阀，打开排气阀和压力表保护阀，打开真空泵进行抽气，压力表显示0.5 bar后停止抽气，打开注油阀，注射燃料完成后关闭注油阀，取下注油帽。

1.1.3 温控加热模块

为研究不同温度下燃料的燃烧过程，需要把燃烧弹内部温度设置为初始值。选用WRPK-231铠装热电偶（上仪集团提供）对燃烧弹温度加热，根据数据采集卡的数据用电压控制加热电源回路的开关，并利用LabVIEW设计了热电偶标定、温度监测和加热电源控制程序。

1.1.4 点火模块

采用STC单片机控制点火驱动单元，点火线圈驱动器选用VB325SP芯片（意法半导体（ST）集团提供），该芯片具有低电压钳位、热关机与内部电流限制、防止过热的特征。点火过程：单片机收到点火信号后发送指令至VB325SP芯片，VB325SP芯片开始充电，充电完成后释放高电压点燃点火线圈，点火指示灯亮起，点火完成。

1.1.5 时序控制模块

混合燃料在定容燃烧弹内的燃烧过程是在一瞬间完成的，所以需要严格控制高速摄像机和数据采集卡在点火发生时被同步触发。选用DG645数字延时发生器（美国Scott Rotary Seals（SRS）公司提供）作为同步触发设备，DG645数字延时发生器具有精准8路延时输出端口，输出延时为0～2 000 s，分辨率为5 ps。

1.1.6 纹影成像模块

纹影成像模块主要由光源、光学元件及高速摄像机组成，模块整体呈“Z”字形布置，利用镜面反射原理记录实验过程。摄像机选用日本Phtron公司提供的SAD高速摄像机，相机分辨率为1 024 dpi×1 024 dpi，最高拍摄速度为15 000帧/s。考虑到摄像机内存有限，实验时常设置分辨率为512 dpi×512 dpi，拍摄速度为8 000帧/s。

1.1.7 数据采集模块

实验时需采集预混燃烧的初始温度及燃料燃烧过程的燃烧弹内的压力值，初始温度通过温控加热模块采集。选用德国Bosch公司提供的6115B测量式火花塞进行燃烧弹压力测量，该火花塞不仅可以实现火花点火功能，而且能够测量燃烧动态压力信号。信号采集后由采集卡收集信号，传入PC端储存。

1.2 系统硬件设计

在定容燃烧弹内进行燃烧实验，需要采集的信号有混合燃料温度与燃烧过程的压力值。由于被控对象是加热电源，数据采集装置需要能够快速采集模擬信号并支持开关型输入输出。郝光健[21]使用的采集卡虽能实现实时数据采集，但数据采集精度不高。所以系统选用美国国家仪器有限公司（简称NI公司）研发的cRIO-9043控制器和C系列模块NI9265进行控制及数据采集，不仅实现了数据实时采集，也保证了数据精度。cRIO-9043控制器内置8 GB内存，可重置FPGA、RT实时处理器和控制器PFIO，控制器的最大输入输出频率为1 MHz，采样精度为5×10-5。NI9265模块有4个通道，且输出速度高达100 kS/s，输出范围为0～20 mA，分辨率为16 bit。

1.3 系统软件设计

系统软件由上位机与下位机组成。

1）下位机单片机程序是在Keil uVision5集成开发环境下，采用C语言编写。程序整体采用模块化设计，主要包括初始化程序、主程序、I2C数据发送程序和串口中断程序。下位机流程图如图3所示。

2）上位机单片机程序是基于NI公司研发的LabVIEW虚拟仪器及相关库函数来实现的。LabVIEW是一种图形化编程G语言，在仪器测量及数据采集方面有广泛的应用。本系统基于LabVIEW2018开发上位机程序，程序主要包括热电偶标定程序、温控加热程序、燃料注射量计算程序、点火控制程序和动态压力采集程序。上位机前面板如图4所示。

1.3.1 热电偶标定程序

调用LabVIEW事件结构控件，主要由“读取”“标定”“删除”“退出”4个事件组成。程序开始前进行初始化；当判断无其他事件执行时执行“读取”事件，程序配置C系列模块采集卡并启动AD转换，等待1 s后采集卡采样，将采集的电压值存入数组，数组索引自动加1；读到错误数据后，可删除错误数据并对数组索引值减1，获得10组电压值和温度值后停止读取，利用最小二乘法对电压与温度进行线性拟合，生成输出方程和拟合曲线，将拟合后的斜率、截距存入内存中，完成后退出子程序，返回主程序。程序流程图如图5所示。

1.3.2 温控加热程序

图6为温控加热程序流程图。程序配置采集卡AD转换，可根据标定后储存在内存中的斜率与截距将采样的电压值转换为实时温度并显示。对温度进行判断，当小于目标温度时，控制器驱动加热电源释放低电平，开启电源加热；当大于目标温度时，高温预警灯亮起，控制器驱动加热电源释放高电平，关闭电源加热。

1.3.3 燃料注射量计算程序

图7所示为燃料注射量计算程序。燃料注射量计算的原理：在体积为V0的定容弹中，可以根据理想气体方程求出指定温度T、压力p下的气体总物质的量，见式（1）。

nt=pV0/RT，（1）

式中：R=8.314 J/（mol·K；nt为气体总物质的量。

对于任意单一燃料CxHyOz，假设所注入的燃料气化后物质的量为n，那么容弹中空气物质的量为（nt－n），其中氧气的物质的量为0.21（nt－n）。单一燃料CxHyOz与氧气完全反应的配平化学方程式见式（2）：

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

xCO2+

y/2H2O。[JY]（2）

根据式（2）可以推出与氧气完全反应所需要的燃料的量为

k=0.21（nt-n）x+y4-z2。（3）

当量比的计算公式：

=nk。（4）

根据式（5）可以推导出当量比下所需要的燃料物质的量：

n=0.21nt0.21+x+y4-z2。（5）

按照上述公式编写计算程序，可计算出一定温度、压力、当量比下的混合燃剂注射量。

1.3.4 点火控制程序

上位机通过串口发送点火信号给下位机，下位机收到信号准备点火。调用LabVIEW的VISA节点，点击点火按钮时，程序通过VISA发送信号至单片机，等待1 s后点火完成，指示灯亮起。图8所示为串口信号发送程序。

1.3.5 动态压力采集程序

该程序通过DAQ数据采集节点采集压力信号，并将采集数据储存至TDMS文件中。点火发生前，设置采样通道为单通道多采样，采样频率为500 kHz，采样时间为400 ms。点火信号触发后，同步触发器释放触发信号，数据采集卡立刻进入储存采样工作模式，对数据进行采样，数据采集后调用MATLAB高斯拟合节点对数据进行误差消除。数据采集和储存程序框图如图9所示。

2 实验测试与结果分析

1）压力曲线

为了测试系统性能，使用cRIO-9043控制器配合NI9265系列模块进行数据采集，采集卡设置采样时间为400 ms，采样频率为500 kHz，采樣次数为1.9×105。本文采用乙醇-氢气混合燃烧进行实验测试，在初始温度为370 K、压力为1 bar的环境条件下，分别对当量比为0.8、1.0、1.2的混合气体进行混合燃烧实验，通过程序运算后获得各当量比下的乙醇、氢气注射量。

图10为乙醇-氢气混合气燃烧压力曲线。

定容弹内的压力随着点火发生后迅速升高，1.0和1.2当量比下的乙醇-氢气混合气燃烧，50.0 ms内迅速达到6.8 bar最大气压，随后压力值慢慢降低，380.0 ms后降至3 bar；0.8当量比下的乙醇-氢气混合气燃烧后的压力值提升相对较慢，需65.0 ms后达到6 bar最大气压，同样于380.0 ms后压力值降至3 bar。图中的各压力数据完整且连续，弥补了传统燃烧弹动态

压力数据错乱缺失的不足，但压力曲线距理想状态仍有差距，将在后续研究中对其改良。

2）纹影图像

图11显示了在4 bar压力下预混乙醇-氢气火焰的纹影图像。

从图中可以看出，在相同的火焰半径下，乙醇-氢气火焰表现出显著的不稳定性。在初始阶段，由于强烈的火焰拉伸和弯曲的影响，球形火焰前表面相对光滑（稳定）；

随着半径的增加，裂纹开始在火焰表面上形成并继续分裂，相交的裂纹开始形成越来越多尺寸不均匀的细胞，直到最终形成完全细胞状态。随着当量比的增加，火焰的褶皱和细胞化程度增加，火焰表面形成的细胞数量增加，火焰不稳定性增加，火焰失稳发生时间提前。清晰的纹影图像和完整的球状火焰对研究混合燃料爆炸历程具有极大的价值，弥补了传统燃烧弹实验的不足。

3 结 语

本文以定容燃烧弹控制与数据采集为核心，设计了定容燃烧弹控制与数据采集系统，并通过实验对系统的整体性能进行了测试分析。

1）针对定容燃烧弹控制与数据采集系统的需求，设计了燃料注射及排气模块、温控加热模块、点火模块、时序控制模块、纹影成像模块、数据采集模块等6个模块，并通过NI cRIO-9043控制器及单片机组成的下位机与LabVIEW软件对系统进行控制，实现燃烧弹实时数据监测与数据采集功能。

2）经测试发现，压力曲线平滑，混合燃料燃烧时动态压力达到预期目标；纹影图像清晰，火焰燃烧爆炸效果较好，说明系统的整体性能良好，满足预混燃烧及喷雾的实验条件。

3）设计的定容燃烧弹控制与数据采集系统弥补了传统定容燃烧弹系统数据采集精度不高和系统控制信号传输慢的缺陷。

但是，点火系统仍有不足，未来将对其进行研究。

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收稿日期：2023-03-02;修回日期：2023-12-02；责任编辑：王海云

基金项目：江苏省研究生创新基金（SJCX22_1913）

第一作者简介：

张璇（1999—），男，江苏宿迁人，硕士研究生，主要从事能源动力工程方面的研究。

通信作者：

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

张璇，王筱蓉，姜熠豪，等.

基于LabVIEW的定容燃烧弹控制与数据采集系统设计

［J］.河北工业科技，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.