基于虚拟仪器技术的柴油发动机测控系统

摘要：介绍了采用NI公司的DAQ卡、SCXI信号调理模块及PC机构成的一个基于虚拟仪器技术的柴油发动机制测控系统。它通过LabVIEW的编程，使用户界面直观地显示在显示器上，方便了调试。该系统已应用在柴油发动机燃用柴油和十六种植物油的稳态性能测试试验上，运行情况良好，且各测量参数的误差与发送机试验图家标准对比，都满足了要求。 关键词：虚拟仪器 数据采集卡 信号调理模块 测功器 LabVIEW 发动机测试仪器经历了模拟仪器、数字化仪器和智能仪器三个阶段。模拟仪器的基本结构是由磁机械式的，采用模拟器件组成各种电路，精度低、速度慢、适应性差；而数字化仪器如数字转速表等，主要由数字电路来实现，在测试精度、速度和仪器寿命等方面都比模拟仪器有较大的提高。随着数字信号处理技术及大规模集成电路的发展，出现了以微机为核心的智能仪器，但由于其是以功能模拟的形式存在的，无论开发还是应用，都缺乏灵活性。20世纪80年代后期，微机性能是得到极大提高，而向测试分析的通用软件开发平台的成功应用，使得虚拟仪器应运而生。利用虚拟仪器技术，用户可以自定认义仪器的功能，创建32位编译程序，从而提高了常规数据采集和测试等任务的运行速度。 W40型电涡流测功器是华南农业大学从德国进口的测功设备。该测试设备的数字化水平较低，控制台均采用机械式按钮，且经过近二十年的连续运转，设备已严重老化，出现明显的零点漂移，部分测试电路板已出现故障，经多次修理仍不正常，严重影响了测试工作的正常进行。为此，在确保数据采集的精度和实时性、改善数据处理功能、提高易操作性和整个测试设备数字化水平的原理下，充分利用虚拟仪器的优势，对原有设备进行了更新和扩充，形成了一个测控系统。 1 系统硬件设计 1．1 系统硬件组成 测试系统的硬件组成主要包括NI公司的PCI-6024E型DAQ卡和SCXI信号调理模块。SCXI信号调理模块包括机座模块SCXI-1000、热电偶模块组SCXI-1125和SCXI-1328、应力应变模块组SCXI-1520和SCXI-1314等。系统结构图如图1所示。 测功能即为德国SCHENCK公司的W40型电涡流测功器，可测发动机最大功率40kW。测耗仪是自动设计的，利用电子天平称量燃油消耗量，通过RS232C（25芯接插件）与PC机连接。可烟度计和空气流量计均为第三方仪器，通过RS232C（9芯接插件）与PC机连接。 1．2 各组成单元功能及工况点控制 1．2．1 DQA卡 NI公司的PCI-6024E型DAQ卡是基于PCI总线的12位多功能数据采集卡，最高采样速率为200kS/s，具有16个单端模拟输入（或8个差分模拟输入），8个数字输入/输出，2个模拟输出，2个20MHz、24位计数器/定时器。 1.2.2 SCXI信号调理模块 NI公司的SCXI信号调理模块为DAQ卡提供一个完善的信号调理系统，有效高的灵活性和配置性能。 机座SCXI-1000是一个结构紧凑、低哭声的机箱，为调理模块提供电源、定时和触发等功能。 热电偶模块组SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔离、1～2000的增益、4Hz或10kHz的可编程模拟滤波器、冷端补偿等功能，终端还有铝质温板防止温度从接线紧杆传递，提高了冷端补偿的精度。 应力应变模块组SCXI-1520和SCXI-1314提供1～1000的增益、10Hz～10kHz的可编程模拟滤波器、0～10V的直流激励电压以及自动调零、桥路补偿等功能，还可以调理一般的模拟电压。 1．2．3 测功器和油门控制器 W40型电涡流测功能有四种工作方式：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，对应调整的对象分别为测功器的扭矩和转速。当选择external方式时，控制信号为0～10V。 油门控制器由模拟电压控制的伺服电机构成，控制信号为0～10V。 1．2．4 工光点的控制 系统可根据设定的转速或扭矩通过DAQ卡输出控制电压给控制执行器和油门控制器，再通过测量结果进行反馈，即可实现试验工况点的控制，完成自定义的测试流程。其中，系统采用PID算法实现测功器的控制。 2 系统软件设计 2．1 编程思想 发动机试验需要在开始时通过怠速运转进行预热。预热完毕的标志是冷却水温度达到额定值。预热后，当速度稳定在设定值时，开始运行主程序，进行数据显示、处理和记录。运行主程序时，同时还调用烟度计和空气流量计子程序，进行同步采集、记录。当水温超过设定的极限值时，系统输出数字信号，启动扬声器报警并停机。系统程序流程图如图2所示。 2．2 用户界面 这里利用简单、易用、图形化的虚拟仪器软件LabVIEW编写操作界面。 主程序界面分为控制和显示两个区，实现对数据采集的控制和显示。显示部分包括扭矩、转速、温度、油耗等参量的显示，还包括超过极限亮灯显示、统计分析显示、日期时间显示等；控制部分包括各测量仪控制开关、采集速率、存储数据时间、PID参数值、极限值、初始值等的设置，如图3所示。 根据流程需要，编写了温度测试子程序和速度判断子程序，用于监控温度和速度状态。对于速度，用磁电和光电转速传感器同时测量，程序中设采样频率为5000Hz，采样数为5000，每秒显示、记录一个点，每8个点取一次平均，判断平均值误差是否在设定范围内而且持续一分钟以上。 2．3 功能模块 软件按功能可分为扭矩计、转速计、温度计、油耗仪、空气流量计、烟度计等测试模块，每个模块可独立使用，分别测试各单个内容。信号采集完成后，可以进行数据保存（直接存入EXCEL）、图表打印以及网页发布等操作。监控参数出现异常时，应报警并停机。 对于油耗测量，首先要在电子天平的菜单中对与外设有关的参数进行设置，如波特率、奇偶校验和握手信号等，然后用LabVIEW读取数据实现串口通讯。厂商为烟度计和空气流量计提供了相应软件，可通过LabVIEW利用system exec.vi调用流量计和烟度计的数据采集软件，并与LabVIEW主程序同步存储。另外，环境条件如大气压、温度、露点温度、相对湿度等可通过互联网从广州五山气象卫星观测站获得，而室内条件也要瑜空盒气压表、干湿球湿度计等仪器进行辅助测量。 图3 3 标定和误差分析 3．1 扭矩标定 测功器是利用测力机构的反力矩与发动机驱动力矩平衡的原理测功的，测力传感器的精度代表了测功器的精度。利用测功器出厂时带有的专用标定力臂，在试验前对测功器和扭矩计进行标定。力臂安装前，应使定子外壳平衡，传感器输出为零。用精度为0.01g的PB602-N型电子天平称取100.00g的沙包，各沙包质量之间的误差不大于0.02%。从零到满量按静态控制进行标定且变化量为100.00g。 扭矩计标定结果为：Me=-0.45166+0.01828X，通过SPSS软件回归分析得相关系数R=1.00，回归方程系数与常数项t的检验均为Sig<0.01，即相关性非常显著。 标定后测量的误差不大于%26;#177;0.5%，满足国标推荐仪器精度%26;#177;1%的要求。 3．2 转速测量 磁电式测速传感器装在测功器主轴60等分的测速齿轮下，主轴每转一圈，传感器输出60个电脉冲信号，设主轴转速为n(r%26;#183;min-1)，脉冲频率为f(Hz)，一分钟输出脉冲信号总数K=60n=60f,推出n=f。 在LabVIEW下，利用频谱分析函数于VI实现信号的快速傅立叶变换，求出信号频率。因为转速最大为2400r%26;#183;min-1，即脉冲频率f最高不大于2400Hz，根据采样定理，设定采样率fs=5000Hz，采样时间取1s，则采样数N=5000，频率分辨率Δf=fs/N=5000/5000=1Hz。转速的误差为0.042%，满足国标推荐仪器精度%26;#177;0.5%的要求。 3．3 温度测量 温度调理模块设置如表1所示，其中K型热电偶范围参考GB/T16839.1-1997。 表1 热电偶调理模块设置 温度类型 范围/℃ K型热电偶范围/mV 设置 滤波/Hz 环境温度 0～50 0～4.096 2000 4 冷却水温 50～100 2.023～4.096 1000 4 排气温度 100～600 4.096～24.905 200 4 在LabVIEW内设置好虚拟温度通道，LabVIEW内部自动设置用幂函数拟合标定的曲线。温度系统总误差等于温度采集系统中DAQ卡、系统噪声、增益、漂移冷端补偿等各因素误差的总线。排气温度计和冷却水温计经过机械要业第三计量测试（广州）站根据国家检定规程JJG368-1984进行了校准，而环境温度计用RTS-60制冷恒温槽（精度0.1℃）进行了校准。理论误差和校准结构如表2所示。计量结果验证了NI热电偶测温和冷端补偿的可信度以及温度系统达到了测量要求。 表2 温度计误差分析和校准结果 误差类型 DAQ卡/μV 漂移/μV 增益/μV 系统噪声/μV 冷端补偿/μV 理论误差/℃ 校准结果/℃ 国标要求/℃ 环境温度 %26;#177;4.88 %26;#177;0.25 %26;#177;0.61 %26;#177;0.15 %26;#177;20.23 %26;#177;0.57 0.50 %26;#177;2 冷却水温 %26;#177;4.88 %26;#177;0.5 %26;#177;1.23 %26;#177;0.30 %26;#177;20.73 %26;#177;0.67 0.25 %26;#177;2 排气温度 %26;#177;4.88 %26;#177;0.5 %26;#177;7.47 %26;#177;1.50 %26;#177;20.81 %26;#177;0.89 0.34 %26;#177;15 3．4 油耗量测量 油耗量用精度为0.01g、最大量程为2000g的GF-2000型多功能精密电子天平称量，计时器为计算机时钟。误差在国标要求的%26;#177;2%之内。 3．5 空气流量测量 泰仪公司生产的AVM-07型流量计能同时测量空气流量和进气温度，出厂时已校准。流量测试范围为0.0～45.0m/s，精度为%26;#177;3%+0.1，在国标要求的%26;#177;5%之内。 进气温度测试范围为0.0～45.0℃，精度为1℃，在国标要求的为%26;#177;2℃之内。 3．6 烟度测量 FBY-1型柴油机烟度计属于滤纸式烟度计，是根据国标GB3846-83和GB3847-83制造的。测量范围为0～10Rb(波许单位)，分辨率为0.1Rb，满足国标0.3Rb的要求。测试前，需要需备三张标准吸光纸进行校准。 3．7 其它参数的测量 大气压和水汽压误差为0.01kPa，露点温度、干球温度、湿球温度误差都为0.1℃。 4 试验分析和应用 试验用发动机为190-12型单缸立式柴油机。进行了恒转速性能测试，同时与光电测速传感器测量结果进行比较，设定转速为2250r%26;#183;min-1，且为连续自动记录，发动机转速与设定值差小于%26;#177;0.2r%26;#183;min-1。 本系统对柴油和十六种植物油的燃烧性能进行了连续一个月的测试。试验过程中，保证上止点前32%26;#176;的喷油提前角不变和油门全开。在发动机工作转速范围内，通过控制测功器改变发动机转速进行测量，从2375r%26;#183;min-1开始降到2250r%26;#183;min-1，间隔为25r%26;#183;min-1。其中，扭矩、转速、温度、油耗、空气流量量每秒采一个点，而排气烟度一分钟采用三个点。在工况稳定一分钟后，连续采样一分钟以上，每个样品试验重复三次，并测试最大扭矩点的情况。图4所示为花生油甲酯混合物的测试曲线。 系统可直接测量的参数有扭矩、转速、燃油消耗量、冷却水温、排气温度、环境温度、进气温度、空气流量和烟度。试验各参数测量误差与发动机试验国家标准GB1105.36-87对比，都满足要求。其中，冷却水和排气温度误差经机械工业第三计量测试中心（广州）站校准，误差分别为0.25℃和0.34℃。 系统开发和调试时间为两个月，并应用在柴油机燃用0号柴油和十六种植物油的稳态性能测试试验上，进行近一个月的试验，运行情况良好。系统应用反映了系统操作界面友好直观方便，有较高的存储能力和稳定性，直接存入EXCEL数据可靠且二次处理容易。 本系统扩展容易，如热电偶SCXI有八个通道可同时使用。在调试程序时，能进行多通道比较、监控，反映了系统的灵活性。