基于LabVIEW和PCI-6024E型DAQ卡實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)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(jī)械式的，采用模擬器件組成各種電路，精度低、速度慢、適應(yīng)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(shí)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(jī)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(yīng)用，都缺乏靈活性。20世紀(jì)80年代后期，微機(jī)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(yīng)用，使得虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生。利用虛擬儀器技術(shù)，用戶可以自定認(rèn)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(yùn)行速度。

W40型電渦流測功器是華南農(nóng)業(yè)大學(xué)從德國進(jìn)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(jī)械式按鈕，且經(jīng)過近二十年的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備已嚴(yán)重老化，出現(xiàn)明顯的零點(diǎn)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(yán)重影響了測試工作的正常進(jìn)行。為此，在確保數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)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(jìn)行了更新和擴(kuò)充，形成了一個測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jī)座模塊SCXI-1000、熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328、應(yīng)力應(yīng)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(jī)最大功率40kW。測耗儀是自動設(shè)計(jì)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(jī)連接?？蔁煻扔?jì)和空氣流量計(jì)均為第三方儀器，通過RS232C（9芯接插件）與PC機(jī)連接。

1．2 各組成單元功能及工況點(diǎn)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(jì)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(jī)座SCXI-1000是一個結(jié)構(gòu)緊湊、低哭聲的機(jī)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(bǔ)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(bǔ)償?shù)木取?/p>

應(yīng)力應(yīng)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(bǔ)償?shù)裙δ埽€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(yīng)調(diào)整的對象分別為測功器的扭矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)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(jī)構(gòu)成，控制信號為0～10V。

1．2．4 工光點(diǎn)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(jìn)行反饋，即可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)工況點(diǎn)的控制，完成自定義的測試流程。其中，系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)測功器的控制。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．1 編程思想

發(fā)動機(jī)試驗(yàn)需要在開始時通過怠速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱完畢的標(biāo)志是冷卻水溫度達(dá)到額定值。預(yù)熱后，當(dāng)速度穩(wěn)定在設(shè)定值時，開始運(yùn)行主程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、處理和記錄。運(yùn)行主程序時，同時還調(diào)用煙度計(jì)和空氣流量計(jì)子程序，進(jìn)行同步采集、記錄。當(dāng)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(yáng)聲器報警并停機(jī)。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(shí)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(jì)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(diǎn)，每8個點(diǎn)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(jì)、轉(zhuǎn)速計(jì)、溫度計(jì)、油耗儀、空氣流量計(jì)、煙度計(jì)等測試模塊，每個模塊可獨(dú)立使用，分別測試各單個內(nèi)容。信號采集完成后，可以進(jìn)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(yīng)報警并停機(jī)。

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(jìn)行設(shè)置，如波特率、奇偶校驗(yàn)和握手信號等，然后用LabVIEW讀取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)串口通訊。廠商為煙度計(jì)和空氣流量計(jì)提供了相應(yīng)軟件，可通過LabVIEW利用system exec.vi調(diào)用流量計(jì)和煙度計(jì)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(diǎn)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(jì)等儀器進(jìn)行輔助測量。

3 標(biāo)定和誤差分析

3．1 扭矩標(biāo)定

測功器是利用測力機(jī)構(gòu)的反力矩與發(fā)動機(jī)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(biāo)定力臂，在試驗(yàn)前對測功器和扭矩計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。力臂安裝前，應(yīng)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(jìn)行標(biāo)定且變化量為100.00g。

扭矩計(jì)標(biāo)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(xiàng)t的檢驗(yàn)均為Sig《0.01，即相關(guān)性非常顯著。

標(biāo)定后測量的誤差不大于±0.5%，滿足國標(biāo)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(shí)現(xiàn)信號的快速傅立葉變換，求出信號頻率。因?yàn)檗D(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(biāo)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(biāo)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(bǔ)償?shù)雀饕蛩卣`差的總線。排氣溫度計(jì)和冷卻水溫計(jì)經(jīng)過機(jī)械要業(yè)第三計(jì)量測試（廣州）站根據(jù)國家檢定規(guī)程JJG368-1984進(jìn)行了校準(zhǔn)，而環(huán)境溫度計(jì)用RTS-60制冷恒溫槽（精度0.1℃）進(jìn)行了校準(zhǔn)。理論誤差和校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)如表2所示。計(jì)量結(jié)果驗(yàn)證了NI熱電偶測溫和冷端補(bǔ)償?shù)目尚哦纫约皽囟认到y(tǒng)達(dá)到了測量要求。

表2 溫度計(jì)誤差分析和校準(zhǔn)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(jì)時器為計(jì)算機(jī)時鐘。誤差在國標(biāo)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(jì)能同時測量空氣流量和進(jìn)氣溫度，出廠時已校準(zhǔn)。流量測試范圍為0.0～45.0m/s，精度為±3%+0.1，在國標(biāo)要求的±5%之內(nèi)。 進(jìn)氣溫度測試范圍為0.0～45.0℃，精度為1℃，在國標(biāo)要求的為±2℃之內(nèi)。

3．6 煙度測量

FBY-1型柴油機(jī)煙度計(jì)屬于濾紙式煙度計(jì)，是根據(jù)國標(biāo)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(biāo)0.3Rb的要求。測試前，需要需備三張標(biāo)準(zhǔn)吸光紙進(jìn)行校準(zhǔn)。

3．7 其它參數(shù)的測量

大氣壓和水汽壓誤差為0.01kPa，露點(diǎn)溫度、干球溫度、濕球溫度誤差都為0.1℃。

4 試驗(yàn)分析和應(yīng)用

試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)為190-12型單缸立式柴油機(jī)。進(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)行了連續(xù)一個月的測試。試驗(yàn)過程中，保證上止點(diǎn)前32°的噴油提前角不變和油門全開。在發(fā)動機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過控制測功器改變發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)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(diǎn)，而排氣煙度一分鐘采用三個點(diǎn)。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(yàn)重復(fù)三次，并測試最大扭矩點(diǎn)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(jìn)氣溫度、空氣流量和煙度。試驗(yàn)各參數(shù)測量誤差與發(fā)動機(jī)試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)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(jī)械工業(yè)第三計(jì)量測試中心（廣州）站校準(zhǔn)，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(yīng)用在柴油機(jī)燃用0號柴油和十六種植物油的穩(wěn)態(tài)性能測試試驗(yàn)上，進(jìn)行近一個月的試驗(yàn)，運(yùn)行情況良好。系統(tǒng)應(yīng)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(kuò)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(jìn)行多通道比較、監(jiān)控，反映了系統(tǒng)的靈活性。

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