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應(yīng)用領(lǐng)域：
產(chǎn)品測試
使用產(chǎn)品：
NI PCI-GPIB 采集卡、SCXI-1001 機(jī)箱、SCXI-1100/1102/1122 等模塊，LabVIEW等軟件
挑戰(zhàn)：
設(shè)計(jì)并集成一個測試系統(tǒng)在有效壽命內(nèi)具有萬無一失的運(yùn)行可靠性，即系統(tǒng)的任一部件出現(xiàn)故障時不影響系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集工作；系統(tǒng)用作冷風(fēng)機(jī)性能測試同時，還能適應(yīng)低溫試驗(yàn)室新的檢測需求持續(xù)地被開發(fā)。
應(yīng)用方案：
采用PCI-GPIB 主副總線和部件儲備冗余設(shè)計(jì)，盡量少用硬件，全部信號由 SCXI 調(diào)理后集中采集；系統(tǒng)基于PC、結(jié)構(gòu)開放、LabVIEW圖象編程平臺易于持續(xù)開發(fā)。
介紹：
為冷風(fēng)機(jī)等制冷設(shè)備的性能提供第三方測試數(shù)據(jù)，我們參照美國ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)建造了夾套式低溫試驗(yàn)室，原先的測試手段難以滿足高效、可靠的要求。調(diào)研發(fā)現(xiàn)：NI 產(chǎn)品在世界數(shù)采領(lǐng)域的優(yōu)勢和較佳的性能價格比。我們設(shè)計(jì)并集成了基于 PC、主副采卡、部件冗余的測控系統(tǒng)，集中采集由 SCXI 調(diào)理的溫度、功率等多種參量。運(yùn)行統(tǒng)計(jì)和計(jì)量溯源對系統(tǒng)的可靠性、誤差進(jìn)行確認(rèn)。借助于 LabVIEW 和現(xiàn)有系統(tǒng)，冷風(fēng)機(jī)性能檢驗(yàn)的多重測試等持續(xù)開發(fā)十分便利。
夾套式低溫調(diào)溫調(diào)濕試驗(yàn)室
八十年代中,我們參照美國供暖制冷空調(diào)工程師學(xué)會 ASHRAE 25-73 標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)夾套校準(zhǔn)內(nèi)容建造了夾套式低溫調(diào)溫調(diào)濕試驗(yàn)室（以下簡稱試驗(yàn)室） 。即把一個小保溫室（隔熱裝配式校準(zhǔn)室）六面架空地置于一個大保溫室中（見圖一） 。夾層間氣流可循環(huán)，溫度按要求可控，分布均勻。這樣可以使校準(zhǔn)室周圍溫度波動對測試結(jié)果帶來的影響降低到最小程度。又因大保溫室是按低溫冷藏保溫技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的土建式重體型庫體，故最大限度地排除大氣環(huán)境溫度波動對試驗(yàn)工況的影響（見圖二） 。
圖二 低溫試驗(yàn)室外形，試驗(yàn)中冷風(fēng)機(jī)試樣；低溫試驗(yàn)室通過國家計(jì)量認(rèn)證證書
標(biāo)準(zhǔn)室容積 200m3 （長寬高10×5×4）,最低制冷溫度-350℃，最高可調(diào)濕度 80%RH，配有氨、氟系統(tǒng)冷源供液接管，30kW 均勻分布可調(diào)電熱源及加濕源。在試驗(yàn)室可以進(jìn)行冷風(fēng)機(jī)、室內(nèi)組合式冷庫、 商用冷藏柜等制冷設(shè)備性能參數(shù)測定。這種由 ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法， 使產(chǎn)品測試中環(huán)境溫度波動的不確定度得到控制，測得結(jié)果作為產(chǎn)品合格評定的依據(jù)，具有國際互認(rèn)性。
三：自動測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
然而，由于原先我們使用的是 70—80 年代的分立式儀器，如用 PF-15 多路直流電壓表測熱偶電勢換算溫度，功率儀測電熱功率。測試前準(zhǔn)備重復(fù)，測試中故障率高，測試后數(shù)據(jù)處理量大，可謂事倍功半。
自動測控系統(tǒng)
現(xiàn)有測量手段是基于PC、采用主副兩條總線（PCI/GPIB） 、部件儲備冗余的自動測控系統(tǒng)（簡稱系統(tǒng)） 。見圖三。
主線包括：PⅡ233/64M PC機(jī)，NI 公司PCI-MIO-16XE-50采集卡，SCXI-1001 12 槽信號調(diào)理箱，SCXI-1100 32通道多路轉(zhuǎn)換放大模塊，SCXI-1102 32 通道多路熱電偶放大模塊，SCXI-1122 16 通道隔離轉(zhuǎn)換放大模塊，SCXI-1124 6通道隔離 D/A轉(zhuǎn)換輸出模塊，SCXI-1161 8 通道 SPDT功率繼電器模塊及專用電纜。全部信號用傳感器變送后，SCXI 模塊調(diào)理，PC 機(jī)集中采集。例如：校準(zhǔn)室內(nèi)外溫度，用 T 型熱電偶、SCXI-1102 調(diào)理；試驗(yàn)用電熱功率用國產(chǎn) WB3P414功率傳感/變送器、SCXI-1122 調(diào)理；零下濕度（露點(diǎn)溫度）用芬蘭 VAISALA HMP35A 探頭、SCXI-1100 調(diào)理；制冷管路壓力用PM10 系列壓力變送器、SCXI-1100 調(diào)理；SCXI-1124 用于電熱調(diào)壓；SCXI-1161 控制加濕等狀態(tài)量。副線由 NI 通用數(shù)據(jù)總線卡（AT-GPIB/TNT PnP） 、數(shù)據(jù)采集器（HP34970a）及內(nèi)置模塊組成，作為儲備冗余。系統(tǒng)的軟件，我們選用 LabVIEW圖象編程平臺作為應(yīng)用程序開發(fā)工具，當(dāng)然 NI-DAQ for Windows，HP34970a儀器驅(qū)動等也是我們所必需的。
系統(tǒng)性能價格比優(yōu)化
通過數(shù)據(jù)采集產(chǎn)品的市場調(diào)研，將感興趣的幾家世界著名儀器制造商的產(chǎn)品，配置成適合我們需要的 100 通道左右采集容量后，進(jìn)行性能價格例表比較（見表一） 。我們發(fā)現(xiàn)：NI 產(chǎn)品在世界數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的優(yōu)勢。產(chǎn)品選件豐富，兼容開放性強(qiáng)，主流趨向已明；另外，惠普 HP34970a 較低的單位通道價及 LabVIEW 支持它的 PC 驅(qū)動。最后我們采用 NI領(lǐng)先的基于PC 數(shù)采技術(shù)和 HP 的低價單位通道集成主副結(jié)構(gòu)的自動測控系統(tǒng)，優(yōu)化了系統(tǒng)性能價格比。
表一
表注：表中價格僅為 97 年底參考報(bào)價，除方案 1 為成交價外，其余均為離岸價
系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)及確認(rèn)
針對我們的測試特點(diǎn)，需要系統(tǒng)有萬無一失的運(yùn)行可靠性。原因?yàn)椋旱谝唬?00m3校準(zhǔn)室低溫測試環(huán)境的建立時間長；第二，在校準(zhǔn)室內(nèi)的待測試件運(yùn)行必須按要求，平衡控制難度高；第三，因故未及時獲得數(shù)據(jù)，不僅增加測試成本，而且影響我們的服務(wù)信譽(yù)。因此，冗余設(shè)計(jì)，部件儲備是有效的方法。
從圖三可知，系統(tǒng)中主線：PCI 卡、SCXI 與 PC 機(jī)構(gòu)成串聯(lián)模式，既使 PCI 卡、SCXI 等部件有很高的可靠度，主線還是受PC 機(jī)可靠度的制約。一旦 PC 機(jī)故障，該線無法工作。儲備的副線 GPIB 卡、HP34970a 雖也基于PC，但己與主線構(gòu)成并聯(lián)，提高了系統(tǒng)可靠度。另外該數(shù)采器含內(nèi)置非易失存貯器，能脫離 PC 機(jī)工作，并且系統(tǒng)中又用二塊構(gòu)成并聯(lián)模式，若設(shè)各部件故障概率均為 10-3。根據(jù)串聯(lián)支路故障率為各部件故障率之和，并聯(lián)為積原理，則主線故障概率仍在10-3量級，而副線故障概率己為 10-6， （在此不討論系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換開關(guān)、軟件可靠度是因系統(tǒng)不直接涉及人身安全等因素）系統(tǒng)運(yùn)行故障概率降低至 10-6量級以下。
一年多來系統(tǒng)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)記錄顯示：累計(jì)使用次數(shù) 89 次，累計(jì)使用時數(shù) 940 小時。系統(tǒng)除一次PC 機(jī)內(nèi)存條損壞外，其他部件運(yùn)行正常。儲備部件的有效工作確認(rèn)了萬無一失的系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)。
系統(tǒng)示值誤差的計(jì)量溯源
作為向外提供第三方公正測試數(shù)據(jù)檢測室，我們按計(jì)量認(rèn)證的要求，對由 NI 組件集成的基于PC 的自動測試系統(tǒng)有關(guān)測量示值按程序進(jìn)行計(jì)量溯源（見圖四） 。
如航天部上海計(jì)量站完成了溫度示值標(biāo)定。 用美國HART公司9105型干孔槽現(xiàn)場直接比對法標(biāo)定了我們測溫范圍-35—35℃內(nèi) SCXI－1102 32 通道定點(diǎn)精度。 （其中包括：T 型熱電偶、SCXI－1303 接線盒中冷端補(bǔ)償、LabVIEW 中 1102熱電偶測溫?fù)Q算軟件等整個基于 PC 主線測試系統(tǒng)）例出用于計(jì)量校準(zhǔn)室溫度的 0—13 通道示值誤差最大和最小的二組數(shù)據(jù)，并分析經(jīng)過平均處理后的校準(zhǔn)室實(shí)際測量精度。見表二。實(shí)際測試中，我們按照 ASHRAE 要求，校準(zhǔn)室內(nèi)八個角測點(diǎn)（0—7 通道）的平均值作為室內(nèi)溫度，校準(zhǔn)室外六個面居中測點(diǎn)（8—13 通道）的平均值作為室外溫度。室內(nèi)外溫度平均后誤差范圍在-0.06—0.35℃之間。
計(jì)量標(biāo)定驗(yàn)證了 NI 熱電偶測溫冷端補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)可信度及現(xiàn)有系統(tǒng)達(dá)到我們測量要求。我們用熱電偶測量校準(zhǔn)室內(nèi)外溫度，經(jīng)平均后的精度是較為理想的。
表二
冷風(fēng)機(jī)測試應(yīng)用開發(fā)
強(qiáng)制對流翅片管空氣冷卻器（簡稱冷風(fēng)機(jī)）廣泛地被使用在食品凍結(jié)和冷藏制冷系統(tǒng)中。而此類制冷設(shè)備結(jié)構(gòu)形式多樣，使用條件各異，實(shí)際的空氣流動和傳熱過程很復(fù)雜，難以用理論推導(dǎo)方法建立全部因素和過程的數(shù)學(xué)模式。因此，冷風(fēng)機(jī)的研制以試驗(yàn)為主，理論計(jì)算為輔的實(shí)驗(yàn)方法在業(yè)內(nèi)得到重視，國際上用夾套式低溫試驗(yàn)室進(jìn)行冷風(fēng)機(jī)性能測試為理想的技術(shù)手段。我處是國內(nèi)唯一能進(jìn)行中大型冷風(fēng)機(jī)（蒸發(fā)面積 25—400m2）性能檢驗(yàn)的試驗(yàn)室。近年來，我們依據(jù)我國機(jī)械工業(yè)部有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)為國內(nèi)多家冷風(fēng)機(jī)制造廠提供了新產(chǎn)品型式試驗(yàn)，產(chǎn)品合格評定等第三方測試報(bào)告幾十份。
用空氣側(cè)熱平衡法測定冷風(fēng)機(jī)的制冷量、傳熱系數(shù)己是我們成熟技術(shù)。將被測冷風(fēng)機(jī)置于校準(zhǔn)室內(nèi)規(guī)定位置，接上制冷管路及試樣上布置進(jìn)出風(fēng)溫度等必要的測點(diǎn)。冷風(fēng)機(jī)運(yùn)行同時，調(diào)節(jié)校準(zhǔn)室電熱負(fù)荷。當(dāng)校準(zhǔn)室達(dá)到要求工況并平衡在規(guī)定范圍內(nèi)時，自動測試系統(tǒng)記錄校準(zhǔn)室內(nèi)總負(fù)荷功率 P，室內(nèi)外溫差△ｔ，試樣進(jìn)出風(fēng)溫度，供液管路壓力（或溫度） ，即可計(jì)算出冷風(fēng)機(jī)制冷量Ｑ＝Ｋc△ｔ＋P（Ｋc 為校準(zhǔn)室漏熱系數(shù)）和傳熱系數(shù)Ｋ＝Ｑ／Ａ△ｔｍ（Ａ為冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)面積，△ｔm對數(shù)溫差） 。這種間接測量和數(shù)據(jù)處理方法在現(xiàn)系統(tǒng)中是很容易自動完成的（見圖四） 。
按照 ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)冷風(fēng)機(jī)測試方法，除空氣側(cè)熱平衡法外，還有制冷劑側(cè)焓差法、空氣側(cè)焓差法等。制冷劑側(cè)焓差法涉及二相流測量技術(shù)，它的精確測量是當(dāng)今世界測量領(lǐng)域難點(diǎn)。我們正在著手這項(xiàng)開發(fā)，將用兩種完全獨(dú)立的測試方法來同時測定冷風(fēng)機(jī)性能參數(shù)，從而控制測量結(jié)果的不確定度。其方案是通過設(shè)置汽液分離桶，用量熱計(jì)過熱汽體并測得流量，從制冷劑蒸發(fā)量、制冷劑液焓值、氣體焓值計(jì)算出冷風(fēng)機(jī)制冷量等性能參數(shù)。就測試手段而言，上述量的采集只要在現(xiàn)系統(tǒng)中增加壓力、流量等傳感器，而 LabVIEW 編程平臺并行處理能力十分容易支持多重檢測軟件開發(fā)。當(dāng)然實(shí)現(xiàn)此法精確測量還涉及二相流充分分離和過熱，制冷劑中含油量修正等技術(shù)和數(shù)學(xué)模式問題。
圖四: 冷風(fēng)機(jī)測試程序前面板
結(jié)論
當(dāng)今新的質(zhì)量理念——讓用戶持續(xù)滿意正在被人們越來越重視。由于我們已經(jīng)擁有一個開放、高效、適用自身測量要求的測控系統(tǒng)， 擁有 NI 公司有效的技術(shù)支持和用戶應(yīng)用信息資源，所以我們有信心按國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)， 借助于 LabVIEW和現(xiàn)有系統(tǒng)在完善冷風(fēng)機(jī)性能多重測試的同時，持續(xù)開發(fā)新的測試項(xiàng)目和技術(shù)來適應(yīng)顧客、競爭、變化（3C）市場環(huán)境的挑戰(zhàn)。
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