基于虚拟仪器的柴油发动机测控系统

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±0.5%，满足国标推荐仪器精度±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·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·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±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

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

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±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±3%+0.1，在国标要求的±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±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·min-1，且为连续自动记录，发动机转速与设定值差小于±0.2r·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°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·min-1开始降到2250r·min-1，间隔为25r·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。