隨著數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)及大規(guī)模集成電路的發(fā)展蝶涩，出現(xiàn)了以微機(jī)為核心的智能儀器没讲，但由于其是以功能模擬的形式存在的轰驳，無論開發(fā)還是應(yīng)用厚掷，都缺乏靈活性。發(fā)動(dòng)機(jī)測試儀器經(jīng)歷了模擬儀器级解、數(shù)字化儀器和智能儀器三個(gè)階段冒黑。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勤哗，精度低抡爹、速度慢、適應(yīng)性差芒划；而數(shù)字化儀器如數(shù)字轉(zhuǎn)速表等冬竟，主要由數(shù)字電路來實(shí)現(xiàn)，在測試精度鼻昼、速度和儀器壽命等方面都比模擬儀器有較大的提高写掖。20世紀(jì)80年代后期，微機(jī)性能是得到極大提高序峦，而向測試分析的通用軟件開發(fā)平臺(tái)的成功應(yīng)用，使得虛擬儀器應(yīng)運(yùn)而生文荚。利用虛擬儀器技術(shù)鳍擎，用戶可以自定認(rèn)義儀器的功能，創(chuàng)建32位編譯程序衬械，從而提高了常規(guī)數(shù)據(jù)采集和測試等任務(wù)的運(yùn)行速度祷罩。

 

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)字化水平較低辙霎，控制臺(tái)均采用機(jī)械式按鈕隔抒，且經(jīng)過近二十年的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備已嚴(yán)重老化淋憋，出現(xiàn)明顯的零點(diǎn)漂移课娃，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)行杖虾。為此烂瘫，在確保數(shù)據(jù)采集的精度和實(shí)時(shí)性、改善數(shù)據(jù)處理功能奇适、提高易操作性和整個(gè)測試設(shè)備數(shù)字化水平的原理下坟比，充分利用虛擬儀器的優(yōu)勢(shì)，對(duì)原有設(shè)備進(jìn)行了更新和擴(kuò)充嚷往，形成了一個(gè)測控系統(tǒng)葛账。

 

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(hào)調(diào)理模塊。SCXI信號(hào)調(diào)理模塊包括機(jī)座模塊SCXI-1000皮仁、熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328籍琳、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所示魂贬。

 

 

測功能即為德國SCHENCK公司的W40型電渦流測功器巩割，可測發(fā)動(dòng)機(jī)最大功率40kW。測耗儀是自動(dòng)設(shè)計(jì)的付燥，利用電子天平稱量燃油消耗量宣谈，通過RS232C（25芯接插件）與PC機(jī)連接《温眩可煙度計(jì)和空氣流量計(jì)均為第三方儀器蜈率，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)采集卡荤榄，最高采樣速率為200kS/s魔辉，具有16個(gè)單端模擬輸入（或8個(gè)差分模擬輸入），8個(gè)數(shù)字輸入/輸出借倘，2個(gè)模擬輸出阀霸，2個(gè)20MHz、24位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器枣象。

 

1.2.2 SCXI信號(hào)調(diào)理模塊

 

NI公司的SCXI信號(hào)調(diào)理模塊為DAQ卡提供一個(gè)完善的信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)屠剥，有效高的靈活性和配置性能。

 

機(jī)座SCXI-1000是一個(gè)結(jié)構(gòu)緊湊舶舅、低噪聲的機(jī)箱莫彩，為調(diào)理模塊提供電源、定時(shí)和觸發(fā)等功能奸闽。

 

熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔離琼牧、1～2000的增益、4Hz或10kHz的可編程模擬濾波器哀卫、冷端補(bǔ)償?shù)裙δ芫薹唬K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?/span>

 

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抱究、0～10V的直流激勵(lì)電壓以及自動(dòng)調(diào)零恢氯、橋路補(bǔ)償?shù)裙δ埽€可以調(diào)理一般的模擬電壓鼓寺。

 

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方式勋拟、n方式、n-const方式和M-n2方式妈候。最常用的是M方式和n-const方式敢靡，對(duì)應(yīng)調(diào)整的對(duì)象分別為測功器的扭矩和轉(zhuǎn)速。當(dāng)選擇external方式時(shí)苦银，控制信號(hào)為0～10V啸胧。

 

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(hào)為0～10V幔虏。

 

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)行器和油門控制器鲫础，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)的控制奥徒，完成自定義的測試流程嫉卵。其中，系統(tǒng)采用PID算法實(shí)現(xiàn)測功器的控制吐捞。

 

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

 

2．1 編程思想

 

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需要在開始時(shí)通過怠速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)熱移卢。預(yù)熱完畢的標(biāo)志是冷卻水溫度達(dá)到額定值。預(yù)熱后吹蜡，當(dāng)速度穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)涩凑，開始運(yùn)行主程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示锤衡、處理和記錄宜掏。運(yùn)行主程序時(shí)，同時(shí)還調(diào)用煙度計(jì)和空氣流量計(jì)子程序试郎，進(jìn)行同步采集注芯、記錄。當(dāng)水溫超過設(shè)定的極限值時(shí)党饮，系統(tǒng)輸出數(shù)字信號(hào)，啟動(dòng)揚(yáng)聲器報(bào)警并停機(jī)驳庭。系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示刑顺。

 

 

2．2 用戶界面

 

這里利用簡單、易用饲常、圖形化的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫操作界面蹲堂。

 

主程序界面分為控制和顯示兩個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括扭矩柒竞、轉(zhuǎn)速政供、溫度、油耗等參量的顯示朽基，還包括超過極限亮燈顯示布隔、統(tǒng)計(jì)分析顯示、日期時(shí)間顯示等稼虎；控制部分包括各測量儀控制開關(guān)衅檀、采集速率、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)時(shí)間敬挂、PID參數(shù)值倾氮、極限值、初始值等的設(shè)置永韭。

 

根據(jù)流程需要英甜，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)徊押。對(duì)于速度埃灿，用磁電和光電轉(zhuǎn)速傳感器同時(shí)測量，程序中設(shè)采樣頻率為5000Hz掖阶，采樣數(shù)為5000咒付，每秒顯示、記錄一個(gè)點(diǎn)炮疲，每8個(gè)點(diǎn)取一次平均枷斩，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)虎叔、轉(zhuǎn)速計(jì)味测、溫度計(jì)、油耗儀铺坞、空氣流量計(jì)起宽、煙度計(jì)等測試模塊，每個(gè)模塊可獨(dú)立使用济榨，分別測試各單個(gè)內(nèi)容坯沪。信號(hào)采集完成后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)保存（直接存入EXCEL）擒滑、圖表打印以及網(wǎng)頁發(fā)布等操作腐晾。監(jiān)控參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)，應(yīng)報(bào)警并停機(jī)丐一。

 

對(duì)于油耗測量藻糖，首先要在電子天平的菜單中對(duì)與外設(shè)有關(guān)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置淹冰，如波特率、奇偶校驗(yàn)和握手信號(hào)等巨柒，然后用LabVIEW讀取數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)串口通訊樱拴。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)采集軟件洋满，并與LabVIEW主程序同步存儲(chǔ)晶乔。另外，環(huán)境條件如大氣壓唠芋、溫度摹钳、露點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度等可通過互聯(lián)網(wǎng)從廣州五山氣象衛(wèi)星觀測站獲得拧淘，而室內(nèi)條件也要瑜空盒氣壓表疲席、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(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩平衡的原理測功的族焰，測力傳感器的精度代表了測功器的精度台古。利用測功器出廠時(shí)帶有的專用標(biāo)定力臂，在試驗(yàn)前對(duì)測功器和扭矩計(jì)進(jìn)行標(biāo)定蚊凫。力臂安裝前盲赚，應(yīng)使定子外殼平衡，傳感器輸出為零肛英。用精度為0.01g的PB602-N型電子天平稱取100.00g的沙包膘椿，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林索。

 

扭矩計(jì)標(biāo)定結(jié)果為：Me=-0.45166+0.01828X笙隙，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坎缭，即相關(guān)性非常顯著竟痰。

 

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%的要求掏呼。

 

3．2 轉(zhuǎn)速測量

 

磁電式測速傳感器裝在測功器主軸60等分的測速齒輪下坏快，主軸每轉(zhuǎn)一圈，傳感器輸出60個(gè)電脈沖信號(hào)憎夷，設(shè)主軸轉(zhuǎn)速為n(r·min-1)莽鸿，脈沖頻率為f(Hz)，一分鐘輸出脈沖信號(hào)總數(shù)K=60n=60f,推出n=f拾给。

 

在LabVIEW下富拗，利用頻譜分析函數(shù)于VI實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速傅立葉變換，求出信號(hào)頻率鸣戴。因?yàn)檗D(zhuǎn)速最大為2400r·min-1啃沪，即脈沖頻率f最高不大于2400Hz，根據(jù)采樣定理窄锅，設(shè)定采樣率fs=5000Hz创千，采樣時(shí)間取1s，則采樣數(shù)N=5000割对，頻率分辨率Δf=fs/N=5000/5000=1Hz揖姆。轉(zhuǎn)速的誤差為0.042%，滿足國標(biāo)推薦儀器精度±0.5%的要求援漓。

 

3．3 溫度測量

 

溫度調(diào)理模塊設(shè)置如表1所示眼厕，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)置好虛擬溫度通道标康，LabVIEW內(nèi)部自動(dòng)設(shè)置用冪函數(shù)擬合標(biāo)定的曲線半就。溫度系統(tǒng)總誤差等于溫度采集系統(tǒng)中DAQ卡、系統(tǒng)噪聲胃肖、增益吸自、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)徊激，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)窥扭。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)到了測量要求贿汞。

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逼肯、最大量程為2000g的GF-2000型多功能精密電子天平稱量，計(jì)時(shí)器為計(jì)算機(jī)時(shí)鐘桃煎。誤差在國標(biāo)要求的±2%之內(nèi)篮幢。

 

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(shí)測量空氣流量和進(jìn)氣溫度，出廠時(shí)已校準(zhǔn)备禀。流量測試范圍為0.0～45.0m/s洲拇，精度為±3%+0.1，在國標(biāo)要求的±5%之內(nèi)曲尸。 進(jìn)氣溫度測試范圍為0.0～45.0℃赋续，精度為1℃，在國標(biāo)要求的為±2℃之內(nèi)另患。

 

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)纽乱，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)昆箕，分辨率為0.1Rb鸦列，滿足國標(biāo)0.3Rb的要求。測試前鹏倘，需要需備三張標(biāo)準(zhǔn)吸光紙進(jìn)行校準(zhǔn)策退。

 

3．7 其它參數(shù)的測量

 

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

 

 

4 試驗(yàn)分析和應(yīng)用

 

試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為190-12型單缸立式柴油機(jī)。進(jìn)行了恒轉(zhuǎn)速性能測試帮冶，同時(shí)與光電測速傳感器測量結(jié)果進(jìn)行比較剿恬，設(shè)定轉(zhuǎn)速為2250r·min-1，且為連續(xù)自動(dòng)記錄隧帜，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與設(shè)定值差小于±0.2r·min-1铡暂。

 

本系統(tǒng)對(duì)柴油和十六種植物油的燃燒性能進(jìn)行了連續(xù)一個(gè)月的測試。試驗(yàn)過程中豫柿，保證上止點(diǎn)前32°的噴油提前角不變和油門全開倡油。在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，通過控制測功器改變發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量围婴，從2375r·min-1開始降到2250r·min-1祈很，間隔為25r·min-1。其中钠四，扭矩盗扒、轉(zhuǎn)速、溫度缀去、油耗侣灶、空氣流量量每秒采一個(gè)點(diǎn)，而排氣煙度一分鐘采用三個(gè)點(diǎn)缕碎。在工況穩(wěn)定一分鐘后褥影，連續(xù)采樣一分鐘以上，每個(gè)樣品試驗(yàn)重復(fù)三次咏雌，并測試最大扭矩點(diǎn)的情況凡怎。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)有扭矩赊抖、轉(zhuǎn)速统倒、燃油消耗量、冷卻水溫氛雪、排氣溫度房匆、環(huán)境溫度、進(jìn)氣溫度灶昏、空氣流量和煙度茬麻。試驗(yàn)各參數(shù)測量誤差與發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)GB1105.36-87對(duì)比，都滿足要求言雀。其中模譬，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)必胜，誤差分別為0.25℃和0.34℃。

 

系統(tǒng)開發(fā)和調(diào)試時(shí)間為兩個(gè)月啥读，并應(yīng)用在柴油機(jī)燃用0號(hào)柴油和十六種植物油的穩(wěn)態(tài)性能測試試驗(yàn)上暇鸦，進(jìn)行近一個(gè)月的試驗(yàn)，運(yùn)行情況良好捍辫。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(chǔ)能力和穩(wěn)定性楞庸，直接存入EXCEL數(shù)據(jù)可靠且二次處理容易沉年。

 

本系統(tǒng)擴(kuò)展容易，如熱電偶SCXI有八個(gè)通道可同時(shí)使用晾胡。在調(diào)試程序時(shí)脾婚，能進(jìn)行多通道比較、監(jiān)控罢猪，反映了系統(tǒng)的靈活性近她。

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