车用空调制冷压缩机性能测试软件的研制

2010-07-14曹义新

中国测试 2010年3期

曹义新

（1.合肥通用机械研究院，安徽合肥 230031；2.合肥通用环境控制技术有限责任公司，安徽合肥 230088）

1 引言

随着国际国内市场对车用空调制冷压缩机性能数据公证性的要求越来越高，相关行业厂家及一些第三方机构越来越重视产品的性能测试，陆续筹划设计建造或改造符合GB/T 21360-2008标准[1]的车用空调制冷压缩机性能测试装置以满足市场需求。同时，为了给车用空调制冷压缩机相关研究领域中的一些关键技术攻关课题，例如制冷剂替换课题等，提供原始试验数据资料，建设产品的性能测试装置具有其必要性。

车用空调制冷压缩机性能测试软件在性能试验中是提供过程监控、在线数据处理、试验报告编制及离线试验数据再分析的重要支撑部件，其软件的编制具有一定的复杂性，它肩负着对各路信号进行采集及对数据进行分析处理的重任，同时还要准确可靠地控制相关试验设备，保证整个试验在预期设定的工况下可靠地进行。

这里仅从性能测试软件的角度出发，从介绍性能试验方法开始，详细阐述与典型的车用空调制冷压缩机性能测试装置相配套的性能测试软件。该软件采用模块化和面向对象的技术，同时兼顾人性化的要求，更加便于功能的扩充和系统的维护，并且通过对算法的优化使其达到很高的运算速度[2-3]，经过长时间使用验证，运行安全可靠。

2 性能试验方法介绍

车用空调制冷压缩机性能试验装置一般来说主要分为动力系统、制冷循环系统、电气测控系统、数据采集硬件系统及性能测试软件（在工控计算机上运行）等几部分，其关系图如图1所示。

按照相关标准[1，4-5]，性能试验应包括两种试验方法，即X法和Y法，两种方法应同时进行测量。X法和Y法试验结果之间的偏差应在±4%以内，并以X法和Y法测量计算结果的平均值为准。常用的试验方法主要有以下4种：第二制冷剂量热器法，编号为A；制冷剂液体流量计法，编号为F；吸气管制冷剂气体流量计法，编号为D1；制冷剂气体冷却法，编号为J。试验方法A、F、D1、J中任何一种均可作为X法使用，除以下3点不允许外，任何一种试验方法也可作为Y法使用：（1）被作为X法的试验方法；（2）测量的量与X法相同的任何一种方法；（3）测量方法与X法相同原理的任一种方法。针对以上4种试验方法中X法和Y法的常见组合方式详见表1。

图1 车用空调制冷压缩机性能试验装置的组成关系图

表1 X法和Y法的常见组合方式列表

3 性能测试装置的试验原理及相关参数

典型的车用空调制冷压缩机性能测试装置采用的 X 法和 Y 法的组合方式是 A-F（或 F-A）[4，6]，即第二制冷剂量热器法和制冷剂液体流量计法。

3.1 试验方法A

第二制冷剂量热器（如图2所示）由一组直接蒸发盘管作蒸发器，该蒸发器被悬置在一个隔热压力容器的上部，电加热器安装在容器底部并被容器中的第二制冷剂浸没。系统制冷剂流量由靠近量热器安装的膨胀阀调节。为了减少外界热量的影响，膨胀阀和量热器之间的管道、量热器以及量热器与压缩机吸气口之间的管道均需隔热。标准规定量热器的漏热量应不超过被试压缩机制冷量的5%。试验前应对量热器的漏热量进行标定，计算出漏热系数。

3.1.1 第二制冷剂量热器法的测量参数

由性能测试软件采集的第二制冷剂量热器法的测量参数包括：（1）膨胀阀前的制冷剂液体压力、温度；（2）量热器出口制冷剂气体压力、温度；（3）第二制冷剂压力；（4）量热器环境温度；（5）输入量热器的电加热量。

3.1.2 第二制冷剂量热器法的计算参数

图2 典型的车用空调制冷压缩机性能测试装置的原理图

由性能测试软件实时计算得到的第二制冷剂量热器法的计算参数包括：（1）量热器法制冷剂体积、质量流量；（2）规定工况下的量热器法制冷量。

3.2 试验方法F

制冷剂液体流量计为测定制冷循环中的制冷剂液体流量，一般常用E＋H的科氏质量流量计。为防止制冷剂在流量计中汽化，在其前面安装一个制冷剂过冷器。在此，制冷剂由冷却水过冷。进入流量计的制冷剂温度应至少比流量计出口压力对应的饱和温度过冷3℃。流量计安装在过冷器与膨胀阀之间的液体管道上，如图2所示。为观察制冷剂液体中是否含有气泡，一般在紧接流量计后面安装视液镜。

3.2.1 制冷剂液体流量计法的测量参数

由性能测试软件采集的制冷剂液体流量计法的测量参数包括：（1）质量流量计所测的制冷剂质量流量、制冷剂密度；（2）过冷器进口的制冷剂液体温度；（3）质量流量计进口的制冷剂液体温度；（4）质量流量计出口压力；（5）压缩机制冷剂的吸气温度、压力；（6）压缩机制冷剂的排气温度、压力。

3.2.2 制冷剂液体流量计法的计算参数

由性能测试软件实时计算得到的制冷剂液体流量计法的计算参数包括：（1）流量计法制冷剂体积流量；（2）质量流量计出口压力对应的制冷剂饱和温度；（3）规定工况下的流量计法制冷量（考虑含油量的影响）。

在采用上述测试装置做性能试验时，压缩机的制冷剂常选用R134a，第二制冷剂常选用R123。对于性能测试软件而言，除了上述的测量参数外，还应包括压缩机壳体温度、压缩机回油温度、压缩机环境温度、压缩机转速、电机扭矩、电机转速、冷却塔恒温水箱温度等；除了上述的实时计算参数外，还应包括压缩机吸气比容、焓、熵，输入功率，压缩机质量流量（平均），压缩机制冷量（平均），主辅偏差，制冷系数，等熵效率等[1，4，7]。

图3 与性能测试软件通信的常用硬件配置仪表拓扑结构

4 性能测试软件通信数据采集硬件系统

在典型的车用空调制冷压缩机性能测试装置中，与性能测试软件通信的硬件如图3所示，主要由工控计算机、数据采集器、PLC控制器、PID调节表组等仪器仪表组成。其中数据采集器接入温度、压力、转速、扭矩、功率等传感器信号，性能测试软件与PLC控制器通信可以控制相关设备的启停，与PID调节表通信可以闭环控制相关的执行器件。

5 性能测试软件的介绍

软件采用面向对象的可视化开发平台C++Builder6.0和开放的ACCESS数据库作为开发工具，并糅合Windows API开发而成的32位标准Windows软件。因为软件需要在同一时间同步进行数据采集、数据分析、仪表控制等工作，所以它必定是多线程的，只有这样才能保证各功能模块执行的并发性和持续性。

软件的主要功能模块包括：PID调节表组控制模块（如图4），实时数据监控和曲线显示模块（如图5），性能报告及曲线打印模块（如图6），历史数据和报告曲线分析模块，管理模块，常用工具模块等，并且还有可在线阅读的操作手册。

6 性能测试软件的分析

软件为完全绿色软件安装，拷贝至硬盘即可运行。软件能自动判断硬件配置，当配置有问题或采集系统没有连接时，软件仍然能够以演示版运行。

6.1 性能测试软件的自动化特点

软件在进入具体试验设置工况时能够由蒸发温度、过热度、冷凝温度的设定值自动换算成压缩机吸气温度、压力及排气压力的设定值及允差值。自由选择试验资源，自动设置各种试验工况参数并传送至PID调节表，由PID调节表自动完成试验工况各个参数的调节，通过PLC控制器自动启停相关设备，在试验过程中也可以实时调节控制。全过程的数据记录方式：一旦开始运行采集过程，系统会按照可设置的时间间隔记录每个测点数据和计算结果，且每个数据皆有时间标签；可自动或手动保存规定时间内的某组工况数据，自动判稳，自动计算结果并存档，自动提示打印或保存试验报告和曲线。

6.2 性能测试软件的人性化、智能化特点

所有采集通道的配置皆采用虚拟地址方式，可在软件中自由分配测点通道，用户可以根据测量需要快速灵活地配置采集器通道及传感器测量参数范围及名称。从操作人员的角度考虑，要求软件能够自动“记住”上一次试验操作时的所有资源设置，在进入下一次试验过程中无需再配置相关资源，默认点击自动进入试验状态。若需修改相关资源即可在试验进入过程中修改，也可在试验进行中在线修改。支持非自动采集（人工测量）参数键盘输入功能，做到测量参数输入方法的多样性。软件根据国家标准统一了试验报告的格式（如图6所示），但对于厂家有特殊需要的，如中英文报告输出时，也能很灵活地实现。

6.3 性能测试软件的零漂补偿功能

可以根据标定结果通过软件进行传感器零漂补偿功能、线性或者多点修正。线性修正对于线性度较好的传感器修正效果较好，对于线性度差的传感器应该采用多点修正的方法。目前软件中采用6点回归曲线拟合的计算方法进行修正，其采用的6个基准点要求采用非递减的软件输入序列且覆盖实际测量范围，实际应用效果良好。

6.4 性能测试软件的滤波功能

软件采用多点求平均值的算法进行软件滤波，可以针对每一个传感器测点是否需要软件滤波、采用几点滤波进行选择设置，方便灵活，避免因传感器测点本身不稳定的因素造成较大稳态波动，效果良好。

6.5 性能测试软件的虚拟再现及再分析功能

软件不仅仅是出一份公正的试验报告，其全过程的试验数据是一笔不可多得的宝贵财富，利用软件可以事后虚拟再现整个测试过程，对发现分析解决试验过程中存在的问题提供了第一手资料。另外，测试软件可以对全过程的试验数据进行离线的二次分析，得出所需的各种图表，甚至可以按操作人员的事后要求客观地重新生成试验报告和曲线，实现了由单纯的数据采集到数据采集与分析的跨越。

6.6 性能测试软件的网络化功能

软件实现了数据界面和曲线界面的网络监测，即通过局域网在任何一台计算机上察看实时数据和曲线情况，并且在输出试验报告的同时可以在指定的计算机上备份试验报告。

总的来说，性能测试软件比较全面准确地体现了被试压缩机各项性能指标参数。

7 性能测试软件中存在的不足与改进探索

虽然性能测试软件实现了预定功能，但仍存在不足之处，主要体现在以下4个方面。

7.1 性能测试软件的数据库优化及加强网络功能的考虑

软件目前采用ACCESS创建数据库，但若进一步加强网络功能，其不足的地方就显现出来了，这里采用开源的轻型的MYSQL网络数据库作为改进数据库。有了MYSQL数据库作为后台数据源，软件的网络化进程就可以大大加快，不仅能更优秀地实现上述的网络化功能，还能添加新的网络化功能，例如无线网络传输数据不堵塞，以B/S的结构建立web服务，甚至开发基于Internet的多媒体远程监控功能等。目前此项工作正在论证中。

7.2 性能测试软件的安全性考虑

目前软件既能以一般操作人员身份登陆操作界面，也能以管理员的身份登陆管理界面，应用方便灵活，因此带来安全性上的隐患。为了防止真实的试验数据及报告曲线被篡改，保证其客观公正性，相关的论证算法正在讨论之中。

7.3 性能测试软件的工质热物性数据库的自主创建

软件对于制冷剂工质热物性数据的查询调用是必要的和频繁的。由于涉及到知识产权问题，采用根据权威计算方法产生等间隔的梯度数据，再用ACCESS创建数据库，软件运行时一开始就在内存中创建这几个表，便于采用二分查找法快速查表来查询调用[8]。至于精度问题，只要等间隔步长取得足够小，精度就可以得到保证，目前验证工作正在开展。

7.4 性能测试软件的可扩展性考虑

软件实现表1中所有试验方法组合的研发工作也有必要同步开展；另外，有些厂家从工作效率和节省能源的角度出发，希望一套软件能同时做两个试验装置相同或不同的试验方法组合的试验，甚至是几套测试软件之间要通讯协调。在相似的空调性能测试软件上这些功能已经实现[9-10]，目前准备把类似功能运用到车用空调制冷压缩机性能测试软件上来。

上述的4个方面是今后性能测试软件研发工作的重点。