應用領域：
產品測試

使用產品：
NI PCI-GPIB 采集卡、SCXI-1001 機箱、SCXI-1100/1102/1122 等模塊，LabVIEW等軟件

挑戰：
設計并集成一個測試系統在有效壽命內具有萬無一失的運行可靠性，即系統的任一部件出現故障時不影響系統數據采集工作；系統用作冷風機性能測試同時，還能適應低溫試驗室新的檢測需求持續地被開發。

應用方案：
采用PCI-GPIB 主副總線和部件儲備冗余設計，盡量少用硬件，全部信號由 SCXI 調理后集中采集；系統基于PC、結構開放、LabVIEW圖象編程平臺易于持續開發。

介紹：
    為冷風機等制冷設備的性能提供第三方測試數據，我們參照美國ASHRAE 標準建造了夾套式低溫試驗室，原先的測試手段難以滿足高效、可靠的要求。調研發現：NI 產品在世界數采領域的優勢和較佳的性能價格比。我們設計并集成了基于 PC、主副采卡、部件冗余的測控系統，集中采集由 SCXI 調理的溫度、功率等多種參量。運行統計和計量溯源對系統的可靠性、誤差進行確認。借助于 LabVIEW 和現有系統，冷風機性能檢驗的多重測試等持續開發十分便利。

夾套式低溫調溫調濕試驗室
    八十年代中,我們參照美國供暖制冷空調工程師學會 ASHRAE 25-73 標準的有關夾套校準內容建造了夾套式低溫調溫調濕試驗室（以下簡稱試驗室） 。即把一個小保溫室（隔熱裝配式校準室）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，溫度按要求可控，分布均勻。這樣可以使校準室周圍溫度波動對測試結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標準設計的土建式重體型庫體，故最大限度地排除大氣環境溫度波動對試驗工況的影響（見圖二） 。 

圖二 低溫試驗室外形，試驗中冷風機試樣；低溫試驗室通過國家計量認證證書

    標準室容積 200m3 （長寬高10×5×4）,最低制冷溫度-350℃，最高可調濕度 80%RH，配有氨、氟系統冷源供液接管，30kW 均勻分布可調電熱源及加濕源。在試驗室可以進行冷風機、室內組合式冷庫、 商用冷藏柜等制冷設備性能參數測定。這種由 ASHRAE 標準推薦的方法， 使產品測試中環境溫度波動的不確定度得到控制，測得結果作為產品合格評定的依據，具有國際互認性。 

                                                  
三：自動測控系統結構框圖

    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。測試前準備重復，測試中故障率高，測試后數據處理量大，可謂事倍功半。

自動測控系統
    現有測量手段是基于PC、采用主副兩條總線（PCI/GPIB） 、部件儲備冗余的自動測控系統（簡稱系統） 。見圖三。  
    主線包括：PⅡ233/64M PC機，NI 公司PCI-MIO-16XE-50采集卡，SCXI-1001 12 槽信號調理箱，SCXI-1100 32通道多路轉換放大模塊，SCXI-1102 32 通道多路熱電偶放大模塊，SCXI-1122 16 通道隔離轉換放大模塊，SCXI-1124 6通道隔離 D/A轉換輸出模塊，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 模塊調理，PC 機集中采集。例如：校準室內外溫度，用 T 型熱電偶、SCXI-1102 調理；試驗用電熱功率用國產 WB3P414功率傳感/變送器、SCXI-1122 調理；零下濕度（露點溫度）用芬蘭 VAISALA  HMP35A 探頭、SCXI-1100 調理；制冷管路壓力用PM10 系列壓力變送器、SCXI-1100 調理；SCXI-1124 用于電熱調壓；SCXI-1161 控制加濕等狀態量。副線由 NI 通用數據總線卡（AT-GPIB/TNT  PnP） 、數據采集器（HP34970a）及內置模塊組成，作為儲備冗余。系統的軟件，我們選用 LabVIEW圖象編程平臺作為應用程序開發工具，當然 NI-DAQ for Windows，HP34970a儀器驅動等也是我們所必需的。

系統性能價格比優化
    通過數據采集產品的市場調研，將感興趣的幾家世界著名儀器制造商的產品，配置成適合我們需要的 100 通道左右采集容量后，進行性能價格例表比較（見表一） 。我們發現：NI 產品在世界數據采集領域的優勢。產品選件豐富，兼容開放性強，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 驅動。最后我們采用 NI領先的基于PC 數采技術和 HP 的低價單位通道集成主副結構的自動測控系統，優化了系統性能價格比。 
表一

表注：表中價格僅為 97 年底參考報價，除方案 1 為成交價外，其余均為離岸價

系統可靠性設計及確認
    針對我們的測試特點，需要系統有萬無一失的運行可靠性。原因為：第一，200m3校準室低溫測試環境的建立時間長；第二，在校準室內的待測試件運行必須按要求，平衡控制難度高；第三，因故未及時獲得數據，不僅增加測試成本，而且影響我們的服務信譽。因此，冗余設計，部件儲備是有效的方法。
    從圖三可知，系統中主線：PCI 卡、SCXI 與 PC 機構成串聯模式，既使 PCI 卡、SCXI 等部件有很高的可靠度，主線還是受PC 機可靠度的制約。一旦 PC 機故障，該線無法工作。儲備的副線 GPIB 卡、HP34970a 雖也基于PC，但己與主線構成并聯，提高了系統可靠度。另外該數采器含內置非易失存貯器，能脫離 PC 機工作，并且系統中又用二塊構成并聯模式，若設各部件故障概率均為 10-3。根據串聯支路故障率為各部件故障率之和，并聯為積原理，則主線故障概率仍在10-3量級，而副線故障概率己為 10-6， （在此不討論系統中轉換開關、軟件可靠度是因系統不直接涉及人身安全等因素）系統運行故障概率降低至 10-6量級以下。
    一年多來系統運行統計記錄顯示：累計使用次數 89 次，累計使用時數 940 小時。系統除一次PC 機內存條損壞外，其他部件運行正常。儲備部件的有效工作確認了萬無一失的系統可靠性設計。
 
系統示值誤差的計量溯源
    作為向外提供第三方公正測試數據檢測室，我們按計量認證的要求，對由 NI 組件集成的基于PC 的自動測試系統有關測量示值按程序進行計量溯源（見圖四） 。
    如航天部上海計量站完成了溫度示值標定。 用美國HART公司9105型干孔槽現場直接比對法標定了我們測溫范圍-35—35℃內 SCXI－1102 32 通道定點精度。 （其中包括：T 型熱電偶、SCXI－1303 接線盒中冷端補償、LabVIEW 中 1102熱電偶測溫換算軟件等整個基于 PC 主線測試系統）例出用于計量校準室溫度的 0—13 通道示值誤差最大和最小的二組數據，并分析經過平均處理后的校準室實際測量精度。見表二。實際測試中，我們按照 ASHRAE 要求，校準室內八個角測點（0—7 通道）的平均值作為室內溫度，校準室外六個面居中測點（8—13 通道）的平均值作為室外溫度。室內外溫度平均后誤差范圍在-0.06—0.35℃之間。 
    計量標定驗證了 NI 熱電偶測溫冷端補償等技術可信度及現有系統達到我們測量要求。我們用熱電偶測量校準室內外溫度，經平均后的精度是較為理想的。
  表二

冷風機測試應用開發
    強制對流翅片管空氣冷卻器（簡稱冷風機）廣泛地被使用在食品凍結和冷藏制冷系統中。而此類制冷設備結構形式多樣，使用條件各異，實際的空氣流動和傳熱過程很復雜，難以用理論推導方法建立全部因素和過程的數學模式。因此，冷風機的研制以試驗為主，理論計算為輔的實驗方法在業內得到重視，國際上用夾套式低溫試驗室進行冷風機性能測試為理想的技術手段。我處是國內唯一能進行中大型冷風機（蒸發面積 25—400m2）性能檢驗的試驗室。近年來，我們依據我國機械工業部有關標準為國內多家冷風機制造廠提供了新產品型式試驗，產品合格評定等第三方測試報告幾十份。
    用空氣側熱平衡法測定冷風機的制冷量、傳熱系數己是我們成熟技術。將被測冷風機置于校準室內規定位置，接上制冷管路及試樣上布置進出風溫度等必要的測點。冷風機運行同時，調節校準室電熱負荷。當校準室達到要求工況并平衡在規定范圍內時，自動測試系統記錄校準室內總負荷功率 P，室內外溫差△ｔ，試樣進出風溫度，供液管路壓力（或溫度） ，即可計算出冷風機制冷量Ｑ＝Ｋc△ｔ＋P（Ｋc 為校準室漏熱系數）和傳熱系數Ｋ＝Ｑ／Ａ△ｔｍ（Ａ為冷風機蒸發面積，△ｔm對數溫差） 。這種間接測量和數據處理方法在現系統中是很容易自動完成的（見圖四） 。
    按照 ASHRAE 標準有關冷風機測試方法，除空氣側熱平衡法外，還有制冷劑側焓差法、空氣側焓差法等。制冷劑側焓差法涉及二相流測量技術，它的精確測量是當今世界測量領域難點。我們正在著手這項開發，將用兩種完全獨立的測試方法來同時測定冷風機性能參數，從而控制測量結果的不確定度。其方案是通過設置汽液分離桶，用量熱計過熱汽體并測得流量，從制冷劑蒸發量、制冷劑液焓值、氣體焓值計算出冷風機制冷量等性能參數。就測試手段而言，上述量的采集只要在現系統中增加壓力、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。當然實現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和數學模式問題。  

圖四:   冷風機測試程序前面板

結論
     當今新的質量理念——讓用戶持續滿意正在被人們越來越重視。由于我們已經擁有一個開放、高效、適用自身測量要求的測控系統， 擁有 NI 公司有效的技術支持和用戶應用信息資源，所以我們有信心按國外先進標準， 借助于 LabVIEW和現有系統在完善冷風機性能多重測試的同時，持續開發新的測試項目和技術來適應顧客、競爭、變化（3C）市場環境的挑戰。