（车辆工程专业论文）虚拟仪器技术在内燃机实验台架中的应用研究.pdf

摘要 虚拟仪器技术是上世纪9 0 年代初被提出并逐步付诸实现的 该技术利用少量的标准化硬件 模块加上功能强大的幽形化编程平台 将计算机技术同仪器技术完美地结合起来 虚拟仪器具有 开发周期短 成本低 重复劳动少 易于应用新算法以及便于升级等特点 已在测控领域得到了 广泛应用 本文利用n i 公司开发的l a b w i n d o w s c v l 作为开发平台 设计了一套发动机台架实验的测 试系统 设计了发动机测试系统的软件结构 并完成了相关实验程序代码的编写 保证了整个系统的 正常运行 为下一步完善系统提供了可靠的理论基础和实际经验 设计并完成了油耗 转矩等参数的测量电路 改进了测试方法 将复杂的问题简单化 同时 保证了系统的稳定性平 可靠性 通过内燃机台架实验表明 与传统测试方法相比 该系统即节省了成本 又提高了测试效率 关键词 虚拟仪器 内燃机 测试 a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo f v i r t u a li n s t r u m e n tw a sb r o u g h tf o r w a r da n dt a k e nt or e a l i z a t i o na tt h eb e g i n n i n go f 1 9 9 0 s i tm a k e su s eo fas m a l lq u a n t i t yo fs t a n d a r d i z a t i o nh a r d w a r em o d u l e s a d d e dw i t hf i g u r e p r o g r a m m i n gp l a t f o r mw i t hp o w e r f u lf u n c t i o n b a n d st o g e t h e rt h ec o m p u t e rt e c h n i q u ea n dt h e i n s t r u m e n tt e c h n i q u ep e r f e c t l y v i r t u a li n s t r u m e n th a sm a n yc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha si t ss h o r td e v e l o p i n g p e r i o d l o wc o s t l i a l er e p e a t e dl a b o r e a s yt oa p p l yn e wa r i t h m e t i c e a s yt ou p g r a d e a n ds oo n i th a s a p p l i e dw i d e l yi nt h ef i e l do f m e a s u r ea n dc o n t r 0 1 u s i n gl a b w i n d o w s c v ie x p l o i t e db yn a t i o n a li n s t r u m e n tc o m p a n y a so u re x p l o i t i n gt o o l s w e d e s i g n e das u i to ft e s t i n gs y s t e mf o re n g i n et e s t w ed e s i g n e dt h es t r u c t u r eo fs o f t w a r ef o rt h ee n g i n e t e s t i n gs y s t e m a n dw r i t e dt h ec o d so fc o r r e l a t i v ee x p e r i m e n tp r o g r a m m e a s s u r i n gt h a tt h ew h o i j s y s t e mc a n r a ni ng e a r p r o v i d i n gr e l i a b l et h e o r yg r o u n d w o r ka n dp r a c t i c ee x p e r i e n c ef o rt h en e x tw o r k t oc o n s u m m a t et h i ss y s t e m d e s i g n e da n df i n i s h e dt h em e a s u r ec i r c u i t sf o r t h ep a r a m e t e r s s u c ha sf u e l c o n s u m p t i o n t o r q u e a n ds oo n i m p r o v e dt h em e a s u r em e t h o d s i m p l i f i e dt h o s ec o m p l i c a t e dp r o b l e m s a n dg u a r a n t e e di t ss t a b i l i t ya n ds e c u r i t y c o m p a r e dw i t ht h ec o n v e n t i o n a lt e s t i n gm e t h o d t h i ss y s t e mn o to n t yr e d u c e dt h ec o s t b u ta l s o i m p r o v e dt e s t i n ge f f i c i e n c y k e yw o r d s v i r t u a li n s t r u m e n t i n t e m a lc o m b u s t i o ne n g i n e t e s t i n g 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果 尽我所知 除了文中特别加以标注和致诱拊9 地方外 论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果 也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意 研究生签名 何义团 时间 驴铲年岁月 多日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借阅 可以采用影印 缩印或扫描等复 制手段保存 汇编学位论文 同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表 传播学位论文的全部或部分内容 研究生繇何义圃 嗍 沙驴年罗月1 6 r 导师签名 啪j 年 月多f i i 1 1 课题研究的目的和意义 第一章绪论 传统的内燃机台架测试系统功能单一 测试效率低 试验过程缺乏统一的数据处理系统 不 同厂家生产的设备有不同的数据记录格式 无论是软件还是硬件均不兼容 因而不能共享软 硬 件资源 产品开发周期长 设备升级能力及扩展性羞 重复劳动较多 造成了较大的资源浪费 过去内燃机特性的传统测试方法是采用人工手动测试和控制 每一工况的稳定由人工调节 并观察记录各个被测参数 全部参数测试完成后计算处理所需数据 并制成报表和曲线 这种方 法不仅测试精度录i 效率低 控制的实时性差 而且耗费大量的人力 远不能适应内燃机性能测试 的要求 与传统的电子仪器相比 虚拟仪器以软件取代了部分的硬件 用软件实现了数据读取 数据 分析处理 数据显示等传统仪器只能用硬件实现的功能 同时实现了传统仪器很难实现的数据编 辑 存储 打印曲线及图表的功能 增强了仪器间数据交换及信息综合 自动分析判断的能力 概括地说就是 软件即仪器 软件取代部分硬件 使得仪器系统的研制过程变得简单 成本降 低 而且仪器更容易更新升级 应用新的理论和新的算法 在规范了it o 接口 硬件实现功能模 块化后 虚拟仪器的开放性 兼容性和可扩展性大大增强 使其开发变得更为方便 缩短了开发 周期 为了提高内燃机台架测试水平 改善实验教学和科研条件 进行了该课题的研究 1 2 国内外研究现状 近年来 内燃机测试技术与现代动力工程技术的发展相适应 也产生了飞速的发展 自上世 纪9 0 年代以来 国外内燃机行业在市场竞争和环境保护的双重压力下 其产品的综合技术水平 有了很大提高 一方面是内燃机的研制开发对其测试技术提出了新的更高的要求 反过来 测试 水平的提高又为研制开发水平提供了可靠的保证 为此 国外各发动机科研机构和生产厂商都十 分重视发展和完善各种测试技术 一批新的先进测试技术己逐步进入使用阶段 1 燃烧过程测试技术 以光学原理为基础的各种内燃机测试技术近年来发展很快 尤其是激 光技术是国外较为活跃的研究领域 其实际应用也日益广泛 用于研究内燃机缸内现象的激光和 可视化技术主要有激光多谱勒测速法 l d v 微粒图象测试法 p i v 激光荧光法 l i f 相 干反斯托克斯喇曼散射法 c a r s 和简并四波混台法 d f w m 等 日本公司采用夫朗和费衍 射法测量喷雾的微粒分布 特别是高温高压下蒸发油滴的平均粒径 采h jl d v 和c a r s 法测鼙 气体流动和未燃气体温度 用层析法测定不对称油束 采用位相多谱勒技术 p d p a 同时测餐 非定常喷雾的平均粒度平l l 液滴速度 用激光光片法和荧光法结合c c d 摄像机和数字图象处理技 术对油柬内部结构进行可视化研究以及测定燃油浓度和油滴平均粒径 用烈波 激光光衰减图象 分析法同时测定喷束碰壁时的蒸气浓度和液滴浓度等方面都取得了成功的经验 美国采川电视摄 像洲姑喷柬的锥角从而确定油气混合情况 并州激光衍射颗粒尺寸评定油气混合状况 英国 m a l v e r n 公司的基于激光衍射技术的瞬态喷雾粒度分布测量系统已可在一个喷雾周期内取样 一次 预先设定取样时刻 g m 公司利用颗粒示踪测速 p t v 及p i v 等流动测量技术测簟得定 量数据 以验汪模拟进气藕j 燃烧过程的计算机模型 b 本还通过l d v 对压缩行程中气流变化的 全流场进行测鲑 根据测量结果进一步建立三维流动数值计算模型 预测缸内流动 目前 国外 中国农业大学硕 i 学位论文第一章绪论 已有一种用于观察燃烧室内火焰蔓延过程的多路光导测量装置 德国i v a 公司开发的积分式光导 测量技术 i l m 是借助于一个积分式光学探头来测得整个燃烧室的情况 2 振动和噪声测试技术 在振动和噪声的测试方面 国外利用选通声强法测量柴油机噪声 可以绘出第三维测量 时间 与普通声强法测量相结合 能确定工作循环中各分离过程的影响 这 是传统测试万法无法实现的 丹麦b k 公司发展的空间声场变换 s t s f 技术 提供了一种完 整描述给定立体角噪声源的计算和测量方法 瑞典利用该技术进一步做出近声场全息图和进行声 源衰减的模拟计算 为了计算比测量表面更接近声源的声场 采用了近声场全息技术 n h a 美国新泽西卅i 的d a n t e c 电子公司开发了用于测量发动机及旋转机械轴的旋转振动频率的一系列 光学非接触式振动测量系统 包括扭振仪在内 r hl y o n 和g e 公司通过用加速度传感器采样 对旋转机械的振动信号进行频谱分析 以此来确定故障原因 b o s c h 公司和l y o n 公司合作开发出 一种以柴油机状态判断系统d e u c e 软件为基础的专用振动诊断系统 g e 公司将该技术用于随车 状况监视系统 对于滚动轴承的状态监测 一改过去主要依靠温度和磨损粒度测量进行分析的方 法 兴起了诸如冲击脉冲法和发射光能量法 s e e 等新的有效方法 3 动态测量技术 内燃机动态测量技术近年来已为国外内燃机行业广泛采用 实验手段也日 趋完善 目前 国外内燃机研究机构和生产厂家基本上都有先进的整机动态实验系统 a v l 开发 的p u m a 系列发动机实验系统可进行动态实验 车辆底盘实验和道路模拟实验 既省时又省钱 已为世界各地广泛采用 a v l a d a l 0 0 系列交流测功机采用新的变换技术 扩大了测功范围和快 速响应能力 a v l 3 4 6 角度编码器在6 0 0 0 r m i n 时曲轴转角的分辨率可达到o 0 2 c a 非常适用于 动态测量和启动研究 德国申克公司最新开发的动态实验台 具有先进的d y n a m o u n tc o n t r o l 自 动化系统平 道路负荷模拟模块 可逼真地再现实使用工况 此外 各种高精度传感器 瞬态应变 测量技术 热负荷模拟实验 液力脉冲器和模态分析技术等零部件动态测量技术也有了较大的发 展 美国福特公司开发的激光加热实验台 利用了激光能量集中 加热速度快和光束可控可调的 特点 作为热模拟实验的热源具有无可比拟的优点 莫斯科自动化机械学院开发的石英灯加热热 模拟实验台 可同时模拟热负荷和机械负荷 进行负荷加载实验 a v l 开发的q h t 石英 用于 g m i i d 无冷却微型压力传感器 使传感器尺寸大为减小 满足了高水平燃烧和热力学分析所要求 的高精度 4 排放测试技术 废气排放的检测己由稳态检测向瞬态检测发展 检测精度不断提高 并向 小型多功能化发展 美国己将其排放检测标准改为瞬态法 近年来 国内高等院校和科研机构对于应用激光技术研究缸内现象的测试技术研究发展很 快 测试方面也日趋成熟 华中理工大学应用高速摄影和激光全息技术研究柴油喷雾场 并检验 了l d v 测量中t i 0 2 散射粒子的跟随性 江苏理工大学应用l d v 对柴油机涡流室内流场进行实 测 用计算机利高速数据采集系统采集和处理实验数据 浙江大学在燃烧定容弹中用高速纹影和 同轴远场巨脉冲激光全息技术测定乳化油油束微观结构的动态变化过程 大连理工大学利用激光 干涉层析法测量非对称喷雾场三维浓度与温度分布 并建立了能满足图象处理要求的计算机图象 处理器 目前 我国在测试仪器的开发中广泛应 j 了计算机技术 许多新开发的测试仪器都磐州 丁微机或单片机控制系统 智能化程度不断提高 北京理 大学研制的汽车发动机电子燃油喷射 系统台架测试仪 于单点电控喷油的研究 7 0 研究所将其研制的随乖检测仪用于发动机台架实 验 进一步扩大了应用范围 两安交通大学与西安检测仪器厂合作研制出智能化瞬时流量油耗i i 可j j 于车辆道路模拟实验 杭州汽车柴油机研究所改进了通常使用的激振式曲轩n 疲劳实验装置 实现了微机控制 柳州机械厂开发出 l 于熟冲击实验的循环时间显示仪 实现了计时的自动循环 显示 综合上述国内外内燃机测试技术的发展现状和研究进展 可以发现 内燃机测试技术主要是 集中在崾什设备的开发和l 应州上 网其价格昂贵 使得这些仪器设备在一般的发动机试验台架上 无法实现 而虚拟仪器技术利 l j 少量的标准化硬件模块加上功能强大的酬形化编狴平台 悔训算 中国农业大学硕士学位论文笫一章绪论 机技术同仪器技术结合起来 实现内燃机台架实验数据自动测试与处理 目前国内外都在加大研 究力度 以实现仪器设备的虚拟化 1 3 课题研究的主要内容 为了在内燃机台架实验系统上实现虚拟仪器技术 本文主要进行了以下研究工作 1 设计系统的硬件结构 完成对台架实验中基本参数的测量 2 编写数据采集卡在l a b w i n d o w s c v i 环境下的驱动程序 3 设计系统的软件结构 完成实验项目程序代码的编写 4 在内燃机台架实验中验证系统的运行能力 指出改进措施和方向 1 4 虚拟仪器基本概念 虚拟仪器 v i r t u a li n s t r u m e n t 简称v 1 是现代计算机技术和仪器技术深层次结合的产物 是当今计算机辅勘测试 c a t 领域的一项重要技术 所谓虚拟仪器 就是在以通用计算机为核心的硬件平台上 由用户设计定义 具有虚拟面扳 测试功能由测试软件实现的一种计算机仪器系统 使刚者用鼠标或键盘操作虚拟面板 就如同使 用一台专用测量仪器 虚拟仪器的出现使测量仪器与个人计算机的界限模糊了 虚拟仪器的实质 是利用计算机显示器的显示功能来模拟传统仪器的控制面板 以多种形式表达输出检测结果 利 用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算 分析和处理 利用i o 接口设备完成信号的采集 测量与调理 从而完成各种测试功能的一种计算机仪器系统p 虚拟 主要包含以下两个方面的 含义 1 虚拟的虚拟仪器的面板 虚拟仪器面板上的各种 控件 与传统仪器面板上的各种 器件 所完成的功能是相同的 如由各种开关 按键 显示器等实现仪器电源的 通 断 被测信号 输入通道 放大倍 数 等参数的设置 测量结果的 数值显示 波形显示 等 传统仪器面板上的器件都是实物 而且是用手动和触摸进行操作的 而虚拟仪器面板控件是 外形与实物相象的图标 通 断 放大等对应着相应的软件程序 这些软件已经设计好了 用户 不必设计 只需选用代表该种软件的图形控件即可 由计算机的鼠标来对其进行操作 因此 设 计虚拟面板的过程就是在面板设计窗口摆放所需的控件 然后编写相应的程序 2 由软件编程来实现的虚拟仪器测量功能 在以p c 为核心组成的硬件平台支持下 虚拟仪器不仅可以通过软件编程设计来实现仪器的 测试功能 而且可以通过不同的测试功能的软件模块的组合来实现多种测试功能 因此在舾p 平 台确定后有 软件就是仪器 的说法 这也体现了测试技术与计算机技术深层次的结合 1 5 虚拟仪器的构成及其分类 虚拟仪器由通h j 仪器硬件平台利应心软什两大部分构成 1 5 1 通用仪器硬件平台 它主要完成被钡4 输入信号的采集 放大 模 数转换 根据采用的不同总线及其相应的i o 接 1 3 硬件设备 如利用p c 机总线的数据采集卡 板 d a q g p i b 总线仪器 v x i 总线仪器模块 串口总线仪器等 虚拟仪器的构成主要有5 种类型 如图1 1 所示 r o 接1 7 1 设备 ip c d a q 系统 g h b 系统 被测信号卜l7 x i 系统 卜l计冀轨 斗p x i 系统i o 串口磁i 图卜1 虚拟仪器的构成框图 1 1 p c d a q 系统 它是以数据采集板 信号调理电路及计算机为仪器硬件平台组成的插卡式虚拟仪器系统 这 种系统采用p c i 或i s a 计算机本身的总线 故将数据采集卡 板 d a q 插入计算机的空槽中即 可 这种接口的数据采集仪器相对独立仪器而言 成本更为低廉 操纵灵活 性能更强 由于p c 机提供了几乎全部的通信接口 供电 分析 数据处理 显示等仪器性能 因此这种方案以较高 的性能价格比和灵活易用性得到广泛的应用 2 g p i b 系统 它是以g p i b 标准总线仪器与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 g p i b 技术是 i e e e 4 8 8 标准的v l 早期的发展阶段 它的出现是现代测试技术由独立的单台手工操作向大规模 自动测试系统发展的结果 典型的g p t b 系统有一台p c 机 一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形 式的仪器通过g p i b 电缆连接而成 在标准情况下 一块g p i b 接口卡可带多台仪器 电缆长度 可达2 0 米 利用 s a g p i b p c i g p b 串行 g p i b 并行 g p i b 以太网 g p i b 转换器等 可以 使仪器与几乎所有的台式 便携式工业p c 和工作台平台 p c p s 2 m a c i n t o s h s u n d e c i b m v m e 以及 业总线等相连 通过使用跨操作系统和开发平台的标准a p i 工业标准i o 接 口软件及高程仪器驱动程序 平 开发工具建立应用广泛的g p i b 仪器控制系统 g p i b 技术可 计 算机实现对仪器的操作和控制 替代传统的人工操作方式 可以很方便的把多台仪器组合起来 形成火的自动测试系统 g p i b 测试系统的结构和命令简单 造价较低 适合于精度要求高 但 对计算机速率要求不高的传输场台应用 3 v x i 系统 它是以v x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 模块化插 式v x i 仪器是另一个发展迅速的仪器系统 白1 9 8 7 年首次推出v x i v x i 标准就被设计成为 一个开放的体系 能够充分利刚最新的计算机技术来降低测试费川 增加数据吞吐茸羊 缩短开发 周划 为发器仪表系统的设计人员提供了一系列可供选抒的新技术 像g p i b 一样 v x i 需要一 个仪器硬件与计算机的接口并拥有大始的可选件 标准化的v x i p l u g p l a y 软件与v x i 仪器模块 4 配套提供 使用户不必了解仪器的编程协议 大大简化了仪器控制以及测试程序的开发 v x i 总线是高速计算机总线v m e 在v i 领域的扩展 它具有稳定的电源 强有力的冷却能力 和严格的r f i e m i 屏蔽 由于它的标准开放 且具有结构紧凑 数据吞吐能力强 定时羊 j 同步精 确 模块可重复利用 众多仪器厂家支持的优点 很快得到广泛的应用 4 p x i 系统 它是以p x i 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 p x i 总线 方式是在p c i 总线内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的 增加了多板同步触发总线的 参考时钟 适合于精确定时的星形触发总线 以便用于相邻模块的高速通信的局部总线 p x i 有 高度的可扩展性 它由8 个扩展槽 而台式机p c i 系统只有3 4 个扩展槽 通过使用p c i p c i 桥 接器 可扩展到2 5 6 个扩展槽 台式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合 起来 将形成未来主流的v i 平台 5 串口系统 它是以s e r i a l 标准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台组成的虚拟仪器测试系统 在数据 通信 计算机网络以及分布式工业控制系统中 经常采用串行通信方式来交换数据和信息 串行 通信也是虚拟仪器的又一个应用领域 这种通讯形式与并行通讯相比 具有传输距离长 连接简 单 数据传输可靠性高等特点 在目前的工业领域中 大致存在以下几种串行通讯标准 1 e i a r s 一2 3 2 1 9 6 9 年 美国电子 业协会 e i a 公布了r s 2 3 2 作为串行通讯接口的电气标准 该 标准定义了数据终端设备 d t e 和数据通讯设备 d c e 间按位串行传输的接口信息 合理安 i q t 接口的电气信号平 机械要求 在世界范围内得到了广泛的应用 但它采用单端驱动非差分接 收电路 因而存在着传输距离有限和传输速率不太高的问题 远距离串行通讯必须采用m o d e m 增加了成本 2 r s 4 2 2 1 9 7 7 年e i a 制定了r s 一4 2 2 标准 该标准规定采用平衡驱动差分接收 电路 提高了数据传输速率 增加了传输距离 e i a 同期推出的还有r s 一4 2 3 标准 该标准规定 采用单端驱动差分接收电路 其电气性毙与r s 2 3 2 几乎相同 并设计成可连接r s 2 3 2 c 和 r s 一4 2 2 它一端可与r s 一4 2 2 连接 另一端可与r s 2 3 2 连接 提供了一种从旧技术到新技术过渡 的手段 同时又将最大位速率提高到3 0 0 k b s 将传输距离提高到6 0 0 米 3 r s 4 8 5 作为r s 4 2 2 标准的改进版本 r s 一4 8 5 增加了设备数量 定义了在最大负载下保证信号电压的电气特性 由于 r s 4 8 5 的抗噪性和多站能力 使用户仅用一个r s 4 8 5 串行端口就可与大量的设备相连 工业上 普遍采用r s 4 8 5 将分散设备连接到计算机或控制器 进行数据采集 人机接口等操作 r s 4 8 5 采用半双工方式 当用于多站互连时可节省信号线 便于高速 远距离传送 无论上述哪种v 系统 都是通过应用软件将仪器硬件与通用计算机相结合 其中 p c d a q 测量系统是v i 的最基本的方式 也是最廉价的方式 1 5 2 软件结构 虚拟仪器软件由两大部分构成 1 应用程序 应用程序含有两个方面 实现虚拟面板功能的前面板软件程序 定义测试功能驱动群序 2 i 0 接口仪器驱动群序 1 1 0 接口仪器驱动群序完成特定外部设备的扩 驱动与通信 开发虚拟仪器必须有合适的软件 j 具 目前的虚拟仪器软件开发i j 具有如f 两类 文本式编群语言如v i s u a lc v i s u a lb a s i c l a b w i n d o w s 2 v i 等 图形化编程语言如l a b v i e w h p v e e 铬 1 6 虚拟仪器的特点 与传统仪器相比 虚拟仪器具有以下优点 1 融合计算机强大的硬件资源 突破了传统仪器在数据处理 显示 存储等方面的限制 大大增加了传统仪器的功能 商性能处理器 高分辨率显示器 大容量硬盘等已成为虚拟仪器的 标准配置 2 利用计算机丰富的软件资源 一方面 实现了部分仪器硬件的软件化 节省了物质资 源 增加了系统灵活性 另一方面 通过软件技术和数值算法 实时 直接地对测试数据进行各 种分析与处理 再就是通过图形用户界面 g u i 技术 真正做到界面友好 人机交互 3 基于计算机网络技术和接口技术 虚拟仪器系统具有方便 灵活的互联能力 c o n n e c t i v i t y 广泛支持诸如c a n f i e l d b u s p r o f i b u s 等各种工业总线标准 因此 利用 虚拟仪器技术可方便地构建自动测试系统 a t s a u t o m a t i c st e s ts y s t e m 实现测量 控制过程 的网络化 4 基于计算机总线和模块化仪器总线 传统仪器硬件实现了模块化 系列化 大大缩小 系统尺寸 可方便地构建模块化仪器 i n s t r u m e n t o na c a r d 5 基于计算机的开放式标准体系结构 虚拟仪器的硬什 软件都具有开放性 模块化 可重复使j 1 j 及互换性等特点 因此 用户可根据自己的需要 选用不同厂家的产晶 使仪器系统 的开发更为灵活 效率更高 缩短了系统开发的时间1 8 删f j 虚拟仪器在 t 程应川和社会经济效益方面具有突出的优势 目前 我国高档台式仪器 如数 字示波仪 频谱分析仪 逻辑分析仪等还主要依赖进口 这些仪器加工工艺复杂 制造水平要求 高 生产突破有困难 而采用虚拟仪器技术只需要采购必要的通用仪器硬件 就可以设计自己的 高性能价格比的仪器系统 6 第二章系统硬件的设计 2 1 内燃机台架实验的基本测量参数 内燃机台架实验的项目很多 但一般都要按照标准 国家标准或国际标准 进行 在这些标 准中 对各项实验最终要得到的参数 获得这些参数的环境条件以及发动机工况 具体的实验步 骤都作了明确的规定 这对实现内燃机台架实验自动化提供了必不可少的依据 根据国标 g b l l 0 5 2 8 7 内燃机台架实验的基本测量参数如表2 1 所示 具体可根据实验和检查项目的需要 以及内燃机的结构性能予以增减 表2 1 内燃机台架实验的基本测量参数 序号测量参数 i 大气压 环境温度 进气温度 和相对湿度 2内燃机的进气压力 3 中冷器冷却介质进口和出口温度 4内燃机转速 5内燃机转矩 6 内燃机有效功率 7燃油消耗及相应的测定时间 s 燃油消耗率 9 内燃机排气总管或涡轮增压器后的排气温度及绝对压力 i o涡轮增压器燃气进口温度和绝对压力 l l 增压器或扫气泵转速 1 2 增压器或扫气泵出气口空气的绝对压力和温度 1 3中冷器后的空气绝对压力和温度 1 4 排气支管的排气温度 1 5 汽缸压缩压力和埕高爆发压力 1 6内燃机机油压力和温度 1 7增压器的机油进口压力和温度 1 8 机油玲却前后的机油压力和温度 9 内燃机冷却介质的进出口温度 包括中冷器冷却介质进口和山1 2 1 温度 2 0喷油裂进u 处紫油压力和温度 2 i机油消耗量 机油消耗率或机油燃油消耗酉分比 2 2 内燃机噪声 2 3 柴油机的 气斓度 2 4 排气中有害气体成分的 f 均比撑放量 质量排放量 排放浓度 2 5机械振动与曲轴机转振动 2 6活采漏气量 标准环境状况 人气乐p o 1 0 0 k p a 7 5 0 m m h g 中圈农业大学坝士学位论义第二荦系统硬件的设计 相对湿度钆 3 0 环境温度死 2 9 8 k 或2 5 c 中冷器冷却介质进口温度乙 2 9 8 k 或2 5 c 注 当瓦 2 9 5 k 或2 5 c 丸 3 0 u t 水蒸气分压丸p 删o i k p a 75 m m h g 标碓环境状况下干工期压p o 9 9 k p a 7 4 25 m m h g p 枷为标准环境状况f 的饱和蒸汽压 单位以k p a m m h g 寝示 环境温度 i 进气温度 对于特殊使用环境的内燃机 可以补充规定其他的环境状况 但应加以说明 并经有关部门批准 例如应 日于 无限航区 的船 刚内燃机 主机和辅机 应遵循国际黜l 级协会 i a c s 规定的环境状况 大气压p 1 0 0 k p a 7 5 0 m m h g 相对靛度丸 6 0 吓境 度t 3 18 k 或4 j 巾冷器玲却介质进c i 温度瓦 3 0 5 k 或3 2 c 2 2 内燃机自动测试系统实验测量参数介绍 内燃机实验中的各参数 有的能赢接测量 例如温度 转速 压力 时间等 这种测量称为 直接测量 有的要根据已经获得的各参数进行计算后才能求得 例如油耗 功率 机械效率等 这种测量称为间接测量 显然 间接测量是通过几个直接测量经计算来完成的 根据实验室现 有设备 结合学科实验教学 主要完成实验中对环境温度 大气压力 干湿度 转速 冷却水温 度 机油温度 排气温度 功率 油耗等参数以及噪声的测量 图2 1 为内燃机自动测试系统的 硬件结构图 匦至雯卜 d热计技 匹堕塑卜 7 据 动 调 算 机 垂巫堕卜 理 缓 集 姨 卡 机 匹 一 圈2 1 内燃机自动测试系统硬件结构 2 2 i 温度的测量 内燃机实验中的温度测量大致可分为三类 稳定或变化很慢的流体温度的测量 这种温度一般比较稳定或变化缓慢 例如进出玲却 水温度 机油温度 大气温度等 流体介质的瞬时温度测量 如排气瞬时温度的测定 零件温度测量 常见的内燃机零件温度的测量有活塞温度的测量 气阀温度的测量 散 热片温度的测量等 l 我们完成的温度测量主要有环境温度 冷却水温度 机油温度以及排气温度的测量 对于环 境温度 冷却水温度和机油温度 选用t 型热电偶传感器 线径0 3 2 测量范围在2 5 0 c 以下 而对于排气温度 则选用北京自动化仪表二厂生产的w r n k 型热电偶传感器 该型号的热电偶传 感器的分度标准为k 测量上限为8 0 0 热电偶作为 业用温度传感器占有极其重要的地位 它的测量温度范围广 测量可靠性高 自身能产生电压 不需要外加驱动电源 使用方便 两种不同类金属a 和b 接触在一起 如图2 2 所示 若触点间有温度差 则产生热感应电动势e 这种现象称为塞贝克 s e e b e c k 效应 钡0 热电势 圈2 2 两种不同类金属接触会产生热电势 下面以排气温度的测量为例 说明温度的测量方法 由于w r n k 型热电偶传感器在工作范 围内产生的热电势一般在o 3 0 m v 之间 信号比较微弱 在数据采集卡相应的通道设置放大倍数 为1 0 0 0 为了抑制信息传递过程中的干扰 保证信号稳定可靠地传输 接线端子板与传感器之间 采用带有屏蔽层的双绞信号线连接 这主要是由于传输长距离的信息时 双绞线可以使各个小环 路的电磁感应干扰相互抵消 具有很强的抗共模噪声的能力 而带有屏蔽层的双绞线 其抗干扰 能力是屏蔽与平衡的综合 选择正确的接地方式 可以有效地抑制电场和磁场的干扰 同时在电 阻两端芳联一个大小合适的电容 以增强信号源的稳定性 如图2 3 所示 端子板输入通道 g m d 图2 3 温度测量接线图 通过端子板输入通道采集到的是电压信号 要将电压信号转换成温度值 还需要进行从电乐 到温度的公式拟合 根据表2 2 中的数据 得到以 f 热电势一温度公式 中国农业大学顶 e 学位论文第二章系统碰件的址计 r 一0 7 7 6 2 4 9 9 5 2 一o 0 3 4 7 3 3 2 2 2 1 其中 u r 实铡温度值 输入电压 m v 表2 2 热电势与温度的关系 l 热电 1 9 5 m v 0 0 04 1 08 1 31 2 2 l1 6 4 02 06 5 l 温度 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 0 对于机油温度和冷却水温度 由于传感器输出信号十分徽弱 普通万用表不能测得信号值 就直接从油温表和水温表后面的信号输出端口接入信号线 其电压值在o 5 v 范围内 不用做任 何处理 根据表显示的温度值与相应输出电压之间的关系 在程序中拟合出线性公式即可 2 2 2 转速的测量 发动枧转速是判断其技术状态的基准 发动机经济性 动力性的优劣 以及热负荷的火小 都是在一定转速下测量 计算得到的实际参数 为了对发动机的各种性能指标进行精确测量 就 必须保证发动机转述的测量精度 使其误差保持在允许的范围内 常用的测速传感器主要有磁电 式和光电式两种 磁电式传感器由齿轮和磁头组成 齿轮由导磁材料做成 有z 个齿 安装在被测轴上 磁头 由永久磁铁和线圈构成 安装在紧靠齿轮边缘约2 r a m 处 齿轮每转过1 个齿 就切割1 次磁力 线 发出1 个来自线圈感应电势的脉冲信号 齿轮每转1 转 发出z 个电脉冲信号 光电式转速传感器有双头照射式和单头照射式之分 在双头照射式的遮光盘上均布z 条狭 缝 遮光盘由被测轴带动旋转 使其间断地遮住光源照射在光电管上的光束 从而使光电管集电 极电流发生交替变化 遮光盘每转1 转 传感器发出z 个脉冲信号 单头反射式将光源与光敏管 合成一体 测量时将被测轴测量部分的无光面圆周方向均匀贴上z 条反光带 使传感器射出的光 线的聚焦点正好落在被测轴的测量部分 当聚焦点由反光面到无光面变动时 光敏管即随着光的 强弱而产生相应变化的电信号 被测轴每转l 转 传感器发出z 个脉冲信号 磁电式传感器与光电式传感器比较起来 具有更多的优点 磁电式结构简单 发出电脉冲信 号无需配置专门的电源装置 且脉冲信号不因转速过高丽减弱 在仪表显示范围内可以测量高 低 中各种转速 而光电式结构比较复杂 发出电脉冲信号需要配置专门的电源装置 且脉冲信 号在过高转速时有减弱现象 一般不适宜测量1 0 0 0 0 d m i n 以上的转速 因此磁电式转速传感器具 有更大的使用价值 我们在测试系统中选用磁电式传感器 测速传感器产生的电脉冲信号的数目是用a m p c i 一9 1 1 5 数据采集 g 上的计数定时器8 2 c s d 光 计量的 计数定时器8 2 c 5 4 测量在一定的时间间隔内来自测速传感器的电脉冲信号数目 除以齿 轮齿数 z 6 0 再除以时间间隔 便可得到曲轴在该时间内的平均转速 转速信号的调理部分 包括隔离变换 放大 整形等部分 如图2 4 所示 测速传感器所产生的电脉冲信号的波形并不 规整 特别是磁电式传感器输出的电脉冲信号的形状及其幅值均随被测转速而变化 因此容易产 生干扰信号 干扰计数定时器的正常 作 设立放火整形电路的目的就是对测迷传感器的输出电 信号首先进行整形 将其转换成幅值恒定的标准方波 并给予适当的放大 使之满足计数电路对 输入信号的要求 以保证计数定时器的正常上作 2 2 3 转矩的测量 图2 4 发动机转速信号处理原理框图 测量转矩所用的设备是浙江遂昌动力测试设备厂生产的电涡流测功机 该设备的技术参数见 表2 3 而实验室中的柴油机实验台架使用的是开封柴油机厂生产的k 1 9 5 q l 型柴油机 其标定 转速为2 0 0 0 转 分 1 2 小时功率为8 8 2 k w 所以该测功机能够满足使用要求 表2 3c w 3 7 电涡流测功机技术参数 型号 c w 3 7励磁电压 5 0 v 额定功率 3 7 k w 励磁电流 28 a 额定转矩 1 2 0n m 冷却水压 2 6 1 0 4 p a 最高转速 6 0 0 0 r m冷却水量 1 5 2 0 公升 分 工作方式 连续重量 4 8 0k g c w 3 7 型电涡流测功机的制动器主要由定子 包括作为磁轭的铁芯 涡流环 激磁绕组 端 盖 和转子 包括带齿状的凹凸的感应子 主轴 轴承 组成 电涡流制动器产生制动力的原理 是当激磁绕组通以直流电流时 由感应子 空气隙 涡流环 定子磁轭等形成的闭合磁路中产生 静止磁通 如图2 5 所示 因感应子的外圆制成齿状凹凸 在齿项处的空气隙很小 其磁通密度 大 齿槽处的空气隙大 其磁通密度很小 当感应子旋转时 涡流环相应部位的磁通密度不断增 减变化 由电磁感应定律可知 此时在涡流环的表面将产生感应电势而形成涡电流 力图阻止磁 通的变化 从而引起对感应子的制动作用 空气隙 子 圈2 5 电涡流测功器的组成与磁路示意图 在电涡流删功器中 涡流环吸收发动机的功率而产生大量的热 此熟繁由冷却水带走 它的 能量不像电力测功器那样可以利j 它的一 作还依赖于电源及水源 控制调 y 系统比较复杂 虽 然实验窒所州的测功机有一个信号输出接i s 由于该设备说明书上没有说明应变片的布 苴方式 也没有说明输出电压信号与转矩之间的对应关系 但不论应变片布置方式如何 其应变片直流电 中国农业大学硕 1 j 学位论文第二章系统硬件的破计 桥都可以用图2 6 来表示 从输出端口引出的线有四根 分别为黄 蓝 青 粉四种颜色 先将 四根线都断开 依次测得两种颜色信号线之间的电阻为 黄蓝1 4 2 欧 黄粉1 1 2 欧 黄青1 1 2 欧 蓝粉9 l 欧 蓝青9 l 欧 青粉1 2 1 欧 为了验证该传感器的电路具有图2 6 所表述的原理 我们 将青粉两根线短接 测量黄蓝之间的电阻 仍为1 4 2 欧 然后将黄蓝两根线短接 测量青粉之间 的屯阻 仍为1 2 l 欧 由此 我们可以判断 图2 6 中a c 两端为黄蓝两根线 b c 两端为青 粉两根线 b a 图2 6 直流电桥电路图 实际操作中 将黄线接到 1 2 v 的电源上 将蓝线接到电源的g n d 端 将青色线接到万用表 的红表笔 将粉色线接到万用表的黑表笔 给测功机逐渐加载 得到表2 4 中的一组数据 表2 4 测功机表盘读数与信号输出端口电压的对应关系 a0 0o 51 0l5202 53 o3 54 04 55055 b0 7 1 4 2 12 83 64 35 o5 76 57 27 98 7 c0 7 10 9 511 8i 4 21 6 5 1 8 9 2 1 223 6 2 6 028 430 83 3 2 注 表中a 褒示测功机袤盘外嘲读数 n m 1 0 褒盘外硝的读数乘咀l o 为转矩 单位牛米 b 表示信号输出端口电压 m v c 为信号经过放大器之后的电j 叵值 v 从表2 4 中的数据可以看出 即使存在人为的测量误差 信号输出端口的输出电压与测功机表盘 读数之间成非常标准的线性关系 将青色线接到接线端子板的信号输入端口 将粉色线接到端子 扳的g n d 可得山转矩与输入信号电压之间的关系为 瓦 2 0 8 3 3 x z o 一1 4 t 6 7 x 1 0 2 2 式中 z 表示测量的转矩值 n 吒 表示放火器输出信号端口电压 v 2 2 4 功率的测量 有效功率是内燃机最重要的性能参数之一 测量属于间接测量 测得内燃机的转速录i 转矩 p 生兰 1 9 5 5 0 其中 只 发动机有效功率 k w 在内燃机实验中大都需要测量有效功率 功率的 则发动机的有效功率直接由式 2 3 求得 瓦 发动机输出转矩 n m 发动机输出轴的转速 r r n n 2 2 5 油耗的测量 2 3 油耗的测量是采用湘仪动力测试仪器厂生产的b y h 型重量法油耗变送器 这是一种自动测 定内燃机的油耗量和油耗率的精密仪器 能够将内燃机流经油杯所消耗的燃油重量转换成与其成 正比的模拟电压量 与y s w 1 油耗转速仪 2 2 次仪表 配接 可以直接数字显示在一定时间内 1 9 9 秒 内燃机的油耗量 k g h 和油耗率 g k w h 其主要性能指标见表2 5 表2 5b y h 型重量法油耗变送器主要性能指标 测量精度 b y h 0 2 测董范围 5 0 1 0 0 2 0 0 2 5 0 克 1 0 0 2 0 0 4 0 0 5 0 0 克 2 0 4 0 0 8 0 0 i o o g 克 5 0 0 10 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 克 四档量程 输出电压 满量程直流电压变化量为2 v 供电电源 2 2 0 v 2 0 v 5 0 h z 1 h z 工作环境 环境温度 0 c 4 0 空气相对湿度 8 5 仪器应置于稳固的工作台上 b y h 型油耗变送器采用了力平衡原理 其基本结构原理见图2 7 在杠杆的一边是平衡重锤 所产生力f p 在杠杆的另一边是油杯及燃油所产生的力f s r 以及反馈线圈在永久磁钢内所产生的 电磁力f a 由杠杆平衡原理可知 f p a o f s r b o f a c o 在测量开始之前 油杯里充满了油 杠杆平衡 随着耗油的开始 油杯内油量减少 f s r 减 少 为了使得杠杆继续保持平衡 就必须使电磁力f a 相应增加 反馈线圈中的电流i s c 是由位移 检测放大器给出的 当杠杆由于f s r 的变化而引起位移变化时 位移检测线圈检测山杠杆的位移 通过位移检测放大器增加或减少i s c 从而使f a 增加或减少 将杠杆拉同到原来的平衡位黄 由 于位移检测放大器极为灵敏 所以杠杆的实际偏转位移很微弱 满鳖程为o 0 1 2 m m 由于输出电 流f s c 正比于被测的油耗量 而电流f s c 流过负载电阻转变成电压输出 我们可以通过调节负载电 阻来标定该仪器 使其满量程电压变化量为2 v 位移检测放大器实际上是一种位移一电流转换器 它由铝检测片 线网 高频振荡器 以及 功率放大器等部分组成 当杠杆发生位移时 铝检测片检测线圈间的距离变化 引起高频振荡器 的振荡强度发生变化 使其集电极平均电流发生变化 从而导致功率输出电流发生变化 去改变 f a 的大小 使杠杆重新达到平衡 b y h 在原理上改变过去传统的位移法而采刚力平衡原理 支点由原来的刀口改为无脖撩的 弹性支撑 并增加了阻尼器 使该装置稳定可靠 并捉高了测量精度 c b0a e 1 图2 7b y h 型油耗变送器厝l 理图 b y h 型油耗变送器的输出电压满量程变化值为2 0 0 0 v 正比于量程克数 例如