基于NI LabVIEW和PXI硬件測量發(fā)動(dòng)機的測量控制系統

方案

為了開(kāi)發(fā)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機，必須清楚燃料熱值和氣體成分的差異如何影響發(fā)動(dòng)機的運行條件。在發(fā)動(dòng)機運行實(shí)驗中，模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動(dòng)機提供模擬生物質(zhì)氣體燃料，數據采集設備采集實(shí)驗數據。采用NI LabVIEW軟件和PXI硬件測量發(fā)動(dòng)機和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的每個(gè)輸入輸出信號。

圖1 實(shí)驗裝置示意圖

生成模擬生物質(zhì)氣體

7個(gè)生物質(zhì)流量控制器獨立監測和控制6類(lèi)氣體(CH4, C2H4, H2, CO, CO2和 N2)以及一罐市售13A氣體的流量。因此，必須同時(shí)控制7個(gè)控制器以生成任意混合比的模擬生物質(zhì)氣體，這是一個(gè)復雜的過(guò)程。

所用原材料的生物質(zhì)資源種類(lèi)或者氣化方法的不同，以及燃料生成器內溫度波動(dòng)而引起的改變，都會(huì )使氣體混合比產(chǎn)生變化。此外，生物質(zhì)氣體含有的熱值較低的氣體(氫氣和一氧化碳)和不可燃氣體(二氧化碳和氮氣)，因此其熱值低于市場(chǎng)上銷(xiāo)售的氣體燃料，這可能會(huì )在發(fā)動(dòng)機運行時(shí)引起很多問(wèn)題。

有機物質(zhì)通過(guò)發(fā)酵和熱解產(chǎn)生生物質(zhì)氣體，其中的可燃氣體(例如甲烷和氫氣以及一氧化碳)與非可燃氣體(例如二氧化碳和氮氣)相互混合。使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機運行實(shí)驗，同步測量信號和提高機械運行效率是實(shí)驗的兩個(gè)主要的難題。

測量

為了分析和評估燃料氣體成分的差異對發(fā)動(dòng)機運行必要條件的影響，我們測量了大量數據。此時(shí)必須保證測量與發(fā)動(dòng)機曲軸的運動(dòng)同步以方便后續分析。采樣率需要具有靈活性：壓力信號變化劇烈，我們每一度曲軸轉角采樣一次(標定轉速1500rpm的發(fā)動(dòng)機需要9000Hz的采樣率);溫度變化相對較慢，曲軸每轉一圈采樣一次。

此外，輸出電壓信號因傳感器放大器不同而有所差異;因此，我們對每一通道進(jìn)行設置以獲得精確的測量。

發(fā)動(dòng)機運行控制

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機時(shí)，我們必須連接離合器，轉動(dòng)自啟動(dòng)電機，當燃料供給建立時(shí)斷開(kāi)離合器。進(jìn)一步，發(fā)動(dòng)機運轉過(guò)程中，利用執行機構(例如氣門(mén)、質(zhì)量流量控制器和火花塞)調整空氣和燃料流量和點(diǎn)火定時(shí)以實(shí)現提前設定的實(shí)驗條件。

系統結構

測量方面，采用PXI-6071E以旋轉編碼器的信號為基準在每一個(gè)曲軸轉角對傳感器的輸出進(jìn)行采樣。運行控制方面，我們采用PXI- 6733模塊操作各執行器，例如離合器、自啟動(dòng)電機、節氣門(mén)和質(zhì)量流量控制器;采用PXI-6602生成點(diǎn)火信號。

為了開(kāi)發(fā)模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統，我們采用了商用桌面PC和PXI機箱，一套PXI-6031E模擬輸入多功能DAQ模塊，以及一套 PXI-6733模塊。發(fā)動(dòng)機測量控制系統使用了一個(gè)NI PXI-8176控制器、PXI-6071E模擬輸入多功能數據采集(DAQ)模塊、一個(gè)PXI-6733高速模擬輸出模塊以及PXI-6602定時(shí)和數字I/O模塊。NI硬件統一了運行發(fā)動(dòng)機時(shí)需要操作的各個(gè)設備I/O的信號。我們采用PC搭建的系統能夠運行發(fā)動(dòng)機并進(jìn)行各種測量。

從PXI-6733輸入的電壓控制各氣體成分的流量，PXI-6031E測量實(shí)際流量。PC同步控制7個(gè)質(zhì)量流量控制器，使得系統可以控制其中氣體成分以產(chǎn)生任意的混合比。為同時(shí)操控七個(gè)控制器，我們在發(fā)動(dòng)機測量設備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個(gè)輸入/輸出接口統一使用NI公司的產(chǎn)品，并搭建發(fā)動(dòng)機測量控制系統和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統。兩套系統我們都采用LabVIEW來(lái)進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

結果

我們還采用LabVIEW來(lái)分析數據。從實(shí)驗到分析整個(gè)過(guò)程中的所有工作都可以通過(guò)LabVIEW來(lái)完成。由于不需要進(jìn)行多種語(yǔ)言混合編程，因而進(jìn)一步節省了時(shí)間。在測量方面，我們成功實(shí)現了對發(fā)動(dòng)機曲軸運動(dòng)的同步采樣。只需使用PC就完成了測試，這簡(jiǎn)化了測試操作。另外，利用軟件可以輕松的設置每通道的采樣率和測量范圍。

圖2(a) 發(fā)動(dòng)機測量控制

圖2(a)是發(fā)動(dòng)機測量控制程序，它具有自動(dòng)處理發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)程序、手動(dòng)控制和調節執行器至實(shí)驗條件以及測量實(shí)驗數據的功能。

圖2(b)是設置模擬生物質(zhì)氣體燃料混合比程序的前面板，可以分別設置和監測7種氣體的流量。我們利用這些數據對發(fā)動(dòng)機性能進(jìn)行分析，所用的分析程序如圖3所示。

圖2(b) 設置模擬生物質(zhì)氣體燃料混合比程序的前面板

圖3 分析

結論

最后，為提高進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的效率，當在實(shí)驗基礎上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機控制系統時(shí)，只需改動(dòng)軟件就可以實(shí)現新的系統就可以。本系統采用LabVIEW，成功地為一臺生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機搭建了一套測量控制系統。不僅提供了靈活的設置并能處理大量的I/O信號，還大大縮減了實(shí)驗時(shí)間。實(shí)用性很高。