《電子技術(shù)應用》
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基于虛擬儀器的柴油發(fā)動機測控系統(tǒng)
摘要: 發(fā)動機測試儀器經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器三個階段。模擬儀器的基本結(jié)構(gòu)是由磁機械式的,采用模擬器件組成各種電路,精度低、速度慢、適應性差;而數(shù)字化儀器如數(shù)字轉(zhuǎn)速表等,主要由數(shù)字電路來實現(xiàn),在測試精度、速度和儀器壽命等方面都比模擬儀器有較大的提高。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展,出現(xiàn)了以微機為核心的智能儀器,但由于其是以功能模擬的形式存在的,無論開發(fā)還是應用,都缺乏靈活性。20世紀80年代后期,微機性能是得到極大提高,而向測試分析的通用軟件開發(fā)平臺的成功應用,使得虛擬儀器應運而生。利用虛擬儀器技術(shù),用戶可以自定認義儀器的功能,創(chuàng)建32位編譯程序,從而提高了常規(guī)數(shù)據(jù)采集和測試等任務(wù)的運行速度。
Abstract:
Key words :

發(fā)動機測試儀器經(jīng)歷了模擬儀器、數(shù)字化儀器和智能儀器三個階段。模擬儀器的基本結(jié)構(gòu)是由磁機械式的,采用模擬器件組成各種電路,精度低、速度慢、適應性差;而數(shù)字化儀器如數(shù)字轉(zhuǎn)速表等,主要由數(shù)字電路來實現(xiàn),在測試精度、速度和儀器壽命等方面都比模擬儀器有較大的提高。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展,出現(xiàn)了以微機為核心的智能儀器,但由于其是以功能模擬的形式存在的,無論開發(fā)還是應用,都缺乏靈活性。20世紀80年代后期,微機性能是得到極大提高,而向測試分析的通用軟件開發(fā)平臺的成功應用,使得虛擬儀器應運而生。利用虛擬儀器技術(shù),用戶可以自定認義儀器的功能,創(chuàng)建32位編譯程序,從而提高了常規(guī)數(shù)據(jù)采集和測試等任務(wù)的運行速度。
W40型電渦流測功器是華南農(nóng)業(yè)大學從德國進口的測功設(shè)備。該測試設(shè)備的數(shù)字化水平較低,控制臺均采用機械式按鈕,且經(jīng)過近二十年的連續(xù)運轉(zhuǎn),設(shè)備已嚴重老化,出現(xiàn)明顯的零點漂移,部分測試電路板已出現(xiàn)故障,經(jīng)多次修理仍不正常,嚴重影響了測試工作的正常進行。為此,在確保數(shù)據(jù)采集的精度和實時性、改善數(shù)據(jù)處理功能、提高易操作性和整個測試設(shè)備數(shù)字化水平的原理下,充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢,對原有設(shè)備進行了更新和擴充,形成了一個測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件組成
測試系統(tǒng)的硬件組成主要包括NI公司的PCI-6024E型DAQ卡和SCXI信號調(diào)理模塊。SCXI信號調(diào)理模塊包括機座模塊SCXI-1000、熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328、應力應變模塊組SCXI-1520和SCXI-1314等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。


測功能即為德國SCHENCK公司的W40型電渦流測功器,可測發(fā)動機最大功率40kW。測耗儀是自動設(shè)計的,利用電子天平稱量燃油消耗量,通過RS232C(25芯接插件)與PC機連接??蔁煻扔嫼涂諝饬髁坑嬀鶠榈谌絻x器,通過RS232C(9芯接插件)與PC機連接。
1.2 各組成單元功能及工況點控制 1.2.1 DQA卡
NI公司的PCI-6024E型DAQ卡是基于PCI總線的12位多功能數(shù)據(jù)采集卡,最高采樣速率為200kS/s,具有16個單端模擬輸入(或8個差分模擬輸入),8個數(shù)字輸入/輸出,2個模擬輸出,2個20MHz、24位計數(shù)器/定時器。
1.2.2 SCXI信號調(diào)理模塊
NI公司的SCXI信號調(diào)理模塊為DAQ卡提供一個完善的信號調(diào)理系統(tǒng),有效高的靈活性和配置性能。
機座SCXI-1000是一個結(jié)構(gòu)緊湊、低哭聲的機箱,為調(diào)理模塊提供電源、定時和觸發(fā)等功能。
熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔離、1~2000的增益、4Hz或10kHz的可編程模擬濾波器、冷端補償?shù)裙δ?,終端還有鋁質(zhì)溫板防止溫度從接線緊桿傳遞,提高了冷端補償?shù)木取?br /> 應力應變模塊組SCXI-1520和SCXI-1314提供1~1000的增益、10Hz~10kHz的可編程模擬濾波器、0~10V的直流激勵電壓以及自動調(diào)零、橋路補償?shù)裙δ?,還可以調(diào)理一般的模擬電壓。
1.2.3 測功器和油門控制器
W40型電渦流測功能有四種工作方式:M方式、n方式、n-const方式和M-n2方式。最常用的是M方式和n-const方式,對應調(diào)整的對象分別為測功器的扭矩和轉(zhuǎn)速。當選擇external方式時,控制信號為0~10V。油門控制器由模擬電壓控制的伺服電機構(gòu)成,控制信號為0~10V。
1.2.4 工光點的控制
系統(tǒng)可根據(jù)設(shè)定的轉(zhuǎn)速或扭矩通過DAQ卡輸出控制電壓給控制執(zhí)行器和油門控制器,再通過測量結(jié)果進行反饋,即可實現(xiàn)試驗工況點的控制,完成自定義的測試流程。其中,系統(tǒng)采用PID算法實現(xiàn)測功器的控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 編程思想
發(fā)動機試驗需要在開始時通過怠速運轉(zhuǎn)進行預熱。預熱完畢的標志是冷卻水溫度達到額定值。預熱后,當速度穩(wěn)定在設(shè)定值時,開始運行主程序,進行數(shù)據(jù)顯示、處理和記錄。運行主程序時,同時還調(diào)用煙度計和空氣流量計子程序,進行同步采集、記錄。當水溫超過設(shè)定的極限值時,系統(tǒng)輸出數(shù)字信號,啟動揚聲器報警并停機。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。


2.2 用戶界面
這里利用簡單、易用、圖形化的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫操作界面。
主程序界面分為控制和顯示兩個區(qū),實現(xiàn)對數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、油耗等參量的顯示,還包括超過極限亮燈顯示、統(tǒng)計分析顯示、日期時間顯示等;控制部分包括各測量儀控制開關(guān)、采集速率、存儲數(shù)據(jù)時間、PID參數(shù)值、極限值、初始值等的設(shè)置,如圖3所示。


根據(jù)流程需要,編寫了溫度測試子程序和速度判斷子程序,用于監(jiān)控溫度和速度狀態(tài)。對于速度,用磁電和光電轉(zhuǎn)速傳感器同時測量,程序中設(shè)采樣頻率為5000Hz,采樣數(shù)為5000,每秒顯示、記錄一個點,每8個點取一次平均,判斷平均值誤差是否在設(shè)定范圍內(nèi)而且持續(xù)一分鐘以上。
2.3 功能模塊
軟件按功能可分為扭矩計、轉(zhuǎn)速計、溫度計、油耗儀、空氣流量計、煙度計等測試模塊,每個模塊可獨立使用,分別測試各單個內(nèi)容。信號采集完成后,可以進行數(shù)據(jù)保存(直接存入EXCEL)、圖表打印以及網(wǎng)頁發(fā)布等操作。監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常時,應報警并停機。
對于油耗測量,首先要在電子天平的菜單中對與外設(shè)有關(guān)的參數(shù)進行設(shè)置,如波特率、奇偶校驗和握手信號等,然后用LabVIEW讀取數(shù)據(jù)實現(xiàn)串口通訊。廠商為煙度計和空氣流量計提供了相應軟件,可通過LabVIEW利用system exec.vi調(diào)用流量計和煙度計的數(shù)據(jù)采集軟件,并與LabVIEW主程序同步存儲。另外,環(huán)境條件如大氣壓、溫度、露點溫度、相對濕度等可通過互聯(lián)網(wǎng)從廣州五山氣象衛(wèi)星觀測站獲得,而室內(nèi)條件也要瑜空盒氣壓表、干濕球濕度計等儀器進行輔助測量。

 



3 標定和誤差分析

3.1 扭矩標定
測功器是利用測力機構(gòu)的反力矩與發(fā)動機驅(qū)動力矩平衡的原理測功的,測力傳感器的精度代表了測功器的精度。利用測功器出廠時帶有的專用標定力臂,在試驗前對測功器和扭矩計進行標定。力臂安裝前,應使定子外殼平衡,傳感器輸出為零。用精度為0.01g的PB602-N型電子天平稱取100.00g的沙包,各沙包質(zhì)量之間的誤差不大于0.02%。從零到滿量按靜態(tài)控制進行標定且變化量為100.00g。
扭矩計標定結(jié)果為:Me=-0.45166+0.01828X,通過SPSS軟件回歸分析得相關(guān)系數(shù)R=1.00,回歸方程系數(shù)與常數(shù)項t的檢驗均為Sig<0.01,即相關(guān)性非常顯著。
標定后測量的誤差不大于±0.5%,滿足國標推薦儀器精度±1%的要求。
3.2 轉(zhuǎn)速測量
磁電式測速傳感器裝在測功器主軸60等分的測速齒輪下,主軸每轉(zhuǎn)一圈,傳感器輸出60個電脈沖信號,設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為n(r·min-1),脈沖頻率為f(Hz),一分鐘輸出脈沖信號總數(shù)K=60n=60f,推出n=f。
在LabVIEW下,利用頻譜分析函數(shù)于VI實現(xiàn)信號的快速傅立葉變換,求出信號頻率。因為轉(zhuǎn)速最大為2400r·min-1,即脈沖頻率f最高不大于2400Hz,根據(jù)采樣定理,設(shè)定采樣率fs=5000Hz,采樣時間取1s,則采樣數(shù)N=5000,頻率分辨率Δf=fs/N=5000/5000=1Hz。轉(zhuǎn)速的誤差為0.042%,滿足國標推薦儀器精度±0.5%的要求。
3.3 溫度測量
溫度調(diào)理模塊設(shè)置如表1所示,其中K型熱電偶范圍參考GB/T16839.1-1997。
表1 熱電偶調(diào)理模塊設(shè)置

在LabVIEW內(nèi)設(shè)置好虛擬溫度通道,LabVIEW內(nèi)部自動設(shè)置用冪函數(shù)擬合標定的曲線。溫度系統(tǒng)總誤差等于溫度采集系統(tǒng)中DAQ卡、系統(tǒng)噪聲、增益、漂移冷端補償?shù)雀饕蛩卣`差的總線。排氣溫度計和冷卻水溫計經(jīng)過機械要業(yè)第三計量測試(廣州)站根據(jù)國家檢定規(guī)程JJG368-1984進行了校準,而環(huán)境溫度計用RTS-60制冷恒溫槽(精度0.1℃)進行了校準。理論誤差和校準結(jié)構(gòu)如表2所示。計量結(jié)果驗證了NI熱電偶測溫和冷端補償?shù)目尚哦纫约皽囟认到y(tǒng)達到了測量要求。

表2 溫度計誤差分析和校準結(jié)果


3.4 油耗量測量

油耗量用精度為0.01g、最大量程為2000g的GF-2000型多功能精密電子天平稱量,計時器為計算機時鐘。誤差在國標要求的±2%之內(nèi)。
3.5 空氣流量測量
泰儀公司生產(chǎn)的AVM-07型流量計能同時測量空氣流量和進氣溫度,出廠時已校準。流量測試范圍為0.0~45.0m/s,精度為±3%+0.1,在國標要求的±5%之內(nèi)。進氣溫度測試范圍為0.0~45.0℃,精度為1℃,在國標要求的為±2℃之內(nèi)。
3.6 煙度測量
FBY-1型柴油機煙度計屬于濾紙式煙度計,是根據(jù)國標GB3846-83和GB3847-83制造的。測量范圍為0~10Rb(波許單位),分辨率為0.1Rb,滿足國標0.3Rb的要求。測試前,需要需備三張標準吸光紙進行校準。
3.7 其它參數(shù)的測量
大氣壓和水汽壓誤差為0.01kPa,露點溫度、干球溫度、濕球溫度誤差都為0.1℃。


4 試驗分析和應用

試驗用發(fā)動機為190-12型單缸立式柴油機。進行了恒轉(zhuǎn)速性能測試,同時與光電測速傳感器測量結(jié)果進行比較,設(shè)定轉(zhuǎn)速為2250r·min-1,且為連續(xù)自動記錄,發(fā)動機轉(zhuǎn)速與設(shè)定值差小于±0.2r·min-1。
本系統(tǒng)對柴油和十六種植物油的燃燒性能進行了連續(xù)一個月的測試。試驗過程中,保證上止點前32°的噴油提前角不變和油門全開。在發(fā)動機工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),通過控制測功器改變發(fā)動機轉(zhuǎn)速進行測量,從2375r·min-1開始降到2250r·min-1,間隔為25r·min-1。其中,扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、油耗、空氣流量量每秒采一個點,而排氣煙度一分鐘采用三個點。在工況穩(wěn)定一分鐘后,連續(xù)采樣一分鐘以上,每個樣品試驗重復三次,并測試最大扭矩點的情況。圖4所示為花生油甲酯混合物的測試曲線。
系統(tǒng)可直接測量的參數(shù)有扭矩、轉(zhuǎn)速、燃油消耗量、冷卻水溫、排氣溫度、環(huán)境溫度、進氣溫度、空氣流量和煙度。試驗各參數(shù)測量誤差與發(fā)動機試驗國家標準GB1105.36-87對比,都滿足要求。其中,冷卻水和排氣溫度誤差經(jīng)機械工業(yè)第三計量測試中心(廣州)站校準,誤差分別為0.25℃和0.34℃。
系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試時間為兩個月,并應用在柴油機燃用0號柴油和十六種植物油的穩(wěn)態(tài)性能測試試驗上,進行近一個月的試驗,運行情況良好。系統(tǒng)應用反映了系統(tǒng)操作界面友好直觀方便,有較高的存儲能力和穩(wěn)定性,直接存入EXCEL數(shù)據(jù)可靠且二次處理容易。
本系統(tǒng)擴展容易,如熱電偶SCXI有八個通道可同時使用。在調(diào)試程序時,能進行多通道比較、監(jiān)控,反映了系統(tǒng)的靈活性。
 

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