夹套式低温试验室自动测试系统的开发及质量

发布日期：2021/10/22来源：网络

应用领域：
产品测试

使用产品：
NI PCI-GPIB 采集卡、SCXI-1001 机箱、SCXI-1100/1102/1122 等模块，LabVIEW等软件

挑战：
设计并集成一个测试系统在有效寿命内具有万无一失的运行可靠性，即系统的任一部件出现故障时不影响系统数据采集工作；系统用作冷风机性能测试同时，还能适应低温试验室新的检测需求持续地被开发。

应用方案：
采用PCI-GPIB 主副总线和部件储备冗余设计，尽量少用硬件，全部信号由 SCXI 调理后集中采集；系统基于PC、结构开放、LabVIEW图象编程平台易于持续开发。

介绍：
为冷风机等制冷设备的性能提供第三方测试数据，我们参照美国ASHRAE 标准建造了夹套式低温试验室，原先的测试手段难以满足高效、可靠的要求。调研发现：NI 产品在世界数采领域的优势和较佳的性能价格比。我们设计并集成了基于 PC、主副采卡、部件冗余的测控系统，集中采集由 SCXI 调理的温度、功率等多种参量。运行统计和计量溯源对系统的可靠性、误差进行确认。借助于 LabVIEW 和现有系统，冷风机性能检验的多重测试等持续开发十分便利。

夹套式低温调温调湿试验室
八十年代中,我们参照美国供暖制冷空调工程师学会 ASHRAE 25-73 标准的有关夹套校准内容建造了夹套式低温调温调湿试验室（以下简称试验室）。即把一个小保温室（隔热装配式校准室）六面架空地置于一个大保温室中（见图一）。夹层间气流可循环，温度按要求可控，分布均匀。这样可以使校准室周围温度波动对测试结果带来的影响降低到最小程度。又因大保温室是按低温冷藏保温技术标准设计的土建式重体型库体，故最大限度地排除大气环境温度波动对试验工况的影响（见图二）。

图二低温试验室外形，试验中冷风机试样；低温试验室通过国家计量认证证书

标准室容积 200m3 （长宽高10×5×4）,最低制冷温度-350℃，最高可调湿度 80%RH，配有氨、氟系统冷源供液接管，30kW 均匀分布可调电热源及加湿源。在试验室可以进行冷风机、室内组合式冷库、商用冷藏柜等制冷设备性能参数测定。这种由 ASHRAE 标准推荐的方法，使产品测试中环境温度波动的不确定度得到控制，测得结果作为产品合格评定的依据，具有国际互认性。

三：自动测控系统结构框图

然而，由于原先我们使用的是 70—80 年代的分立式仪器，如用 PF-15 多路直流电压表测热偶电势换算温度，功率仪测电热功率。测试前准备重复，测试中故障率高，测试后数据处理量大，可谓事倍功半。

自动测控系统
现有测量手段是基于PC、采用主副两条总线（PCI/GPIB）、部件储备冗余的自动测控系统（简称系统）。见图三。
主线包括：PⅡ233/64M PC机，NI 公司PCI-MIO-16XE-50采集卡，SCXI-1001 12 槽信号调理箱，SCXI-1100 32通道多路转换放大模块，SCXI-1102 32 通道多路热电偶放大模块，SCXI-1122 16 通道隔离转换放大模块，SCXI-1124 6通道隔离 D/A转换输出模块，SCXI-1161 8 通道 SPDT功率继电器模块及专用电缆。全部信号用传感器变送后，SCXI 模块调理，PC 机集中采集。例如：校准室内外温度，用 T 型热电偶、SCXI-1102 调理；试验用电热功率用国产 WB3P414功率传感/变送器、SCXI-1122 调理；零下湿度（露点温度）用芬兰 VAISALA HMP35A 探头、SCXI-1100 调理；制冷管路压力用PM10 系列压力变送器、SCXI-1100 调理；SCXI-1124 用于电热调压；SCXI-1161 控制加湿等状态量。副线由 NI 通用数据总线卡（AT-GPIB/TNT PnP）、数据采集器（HP34970a）及内置模块组成，作为储备冗余。系统的软件，我们选用 LabVIEW图象编程平台作为应用程序开发工具，当然 NI-DAQ for Windows，HP34970a仪器驱动等也是我们所必需的。

系统性能价格比优化
通过数据采集产品的市场调研，将感兴趣的几家世界著名仪器制造商的产品，配置成适合我们需要的 100 通道左右采集容量后，进行性能价格例表比较（见表一）。我们发现：NI 产品在世界数据采集领域的优势。产品选件丰富，兼容开放性强，主流趋向已明；另外，惠普 HP34970a 较低的单位通道价及 LabVIEW 支持它的 PC 驱动。最后我们采用 NI领先的基于PC 数采技术和 HP 的低价单位通道集成主副结构的自动测控系统，优化了系统性能价格比。
表一

表注：表中价格仅为 97 年底参考报价，除方案 1 为成交价外，其余均为离岸价

系统可靠性设计及确认
    针对我们的测试特点，需要系统有万无一失的运行可靠性。原因为：第一，200m3校准室低温测试环境的建立时间长；第二，在校准室内的待测试件运行必须按要求，平衡控制难度高；第三，因故未及时获得数据，不仅增加测试成本，而且影响我们的服务信誉。因此，冗余设计，部件储备是有效的方法。
    从图三可知，系统中主线：PCI 卡、SCXI 与 PC 机构成串联模式，既使 PCI 卡、SCXI 等部件有很高的可靠度，主线还是受PC 机可靠度的制约。一旦 PC 机故障，该线无法工作。储备的副线 GPIB 卡、HP34970a 虽也基于PC，但己与主线构成并联，提高了系统可靠度。另外该数采器含内置非易失存贮器，能脱离 PC 机工作，并且系统中又用二块构成并联模式，若设各部件故障概率均为 10-3。根据串联支路故障率为各部件故障率之和，并联为积原理，则主线故障概率仍在10-3量级，而副线故障概率己为 10-6，（在此不讨论系统中转换开关、软件可靠度是因系统不直接涉及人身安全等因素）系统运行故障概率降低至 10-6量级以下。
    一年多来系统运行统计记录显示：累计使用次数 89 次，累计使用时数 940 小时。系统除一次PC 机内存条损坏外，其他部件运行正常。储备部件的有效工作确认了万无一失的系统可靠性设计。

系统示值误差的计量溯源
    作为向外提供第三方公正测试数据检测室，我们按计量认证的要求，对由 NI 组件集成的基于PC 的自动测试系统有关测量示值按程序进行计量溯源（见图四）。
    如航天部上海计量站完成了温度示值标定。用美国HART公司9105型干孔槽现场直接比对法标定了我们测温范围-35—35℃内 SCXI－1102 32 通道定点精度。（其中包括：T 型热电偶、SCXI－1303 接线盒中冷端补偿、LabVIEW 中 1102热电偶测温换算软件等整个基于 PC 主线测试系统）例出用于计量校准室温度的 0—13 通道示值误差最大和最小的二组数据，并分析经过平均处理后的校准室实际测量精度。见表二。实际测试中，我们按照 ASHRAE 要求，校准室内八个角测点（0—7 通道）的平均值作为室内温度，校准室外六个面居中测点（8—13 通道）的平均值作为室外温度。室内外温度平均后误差范围在-0.06—0.35℃之间。
    计量标定验证了 NI 热电偶测温冷端补偿等技术可信度及现有系统达到我们测量要求。我们用热电偶测量校准室内外温度，经平均后的精度是较为理想的。
表二

冷风机测试应用开发
    强制对流翅片管空气冷却器（简称冷风机）广泛地被使用在食品冻结和冷藏制冷系统中。而此类制冷设备结构形式多样，使用条件各异，实际的空气流动和传热过程很复杂，难以用理论推导方法建立全部因素和过程的数学模式。因此，冷风机的研制以试验为主，理论计算为辅的实验方法在业内得到重视，国际上用夹套式低温试验室进行冷风机性能测试为理想的技术手段。我处是国内唯一能进行中大型冷风机（蒸发面积 25—400m2）性能检验的试验室。近年来，我们依据我国机械工业部有关标准为国内多家冷风机制造厂提供了新产品型式试验，产品合格评定等第三方测试报告几十份。
    用空气侧热平衡法测定冷风机的制冷量、传热系数己是我们成熟技术。将被测冷风机置于校准室内规定位置，接上制冷管路及试样上布置进出风温度等必要的测点。冷风机运行同时，调节校准室电热负荷。当校准室达到要求工况并平衡在规定范围内时，自动测试系统记录校准室内总负荷功率 P，室内外温差△ｔ，试样进出风温度，供液管路压力（或温度），即可计算出冷风机制冷量Ｑ＝Ｋc△ｔ＋P（Ｋc 为校准室漏热系数）和传热系数Ｋ＝Ｑ／Ａ△ｔｍ（Ａ为冷风机蒸发面积，△ｔm对数温差）。这种间接测量和数据处理方法在现系统中是很容易自动完成的（见图四）。
    按照 ASHRAE 标准有关冷风机测试方法，除空气侧热平衡法外，还有制冷剂侧焓差法、空气侧焓差法等。制冷剂侧焓差法涉及二相流测量技术，它的精确测量是当今世界测量领域难点。我们正在着手这项开发，将用两种完全独立的测试方法来同时测定冷风机性能参数，从而控制测量结果的不确定度。其方案是通过设置汽液分离桶，用量热计过热汽体并测得流量，从制冷剂蒸发量、制冷剂液焓值、气体焓值计算出冷风机制冷量等性能参数。就测试手段而言，上述量的采集只要在现系统中增加压力、流量等传感器，而 LabVIEW 编程平台并行处理能力十分容易支持多重检测软件开发。当然实现此法精确测量还涉及二相流充分分离和过热，制冷剂中含油量修正等技术和数学模式问题。

图四: 冷风机测试程序前面板

结论
当今新的质量理念——让用户持续满意正在被人们越来越重视。由于我们已经拥有一个开放、高效、适用自身测量要求的测控系统，拥有 NI 公司有效的技术支持和用户应用信息资源，所以我们有信心按国外先进标准，借助于 LabVIEW和现有系统在完善冷风机性能多重测试的同时，持续开发新的测试项目和技术来适应顾客、竞争、变化（3C）市场环境的挑战。

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