基于NI LabVIEW和PXI硬件測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)量控制系統(tǒng)

方案

為了開發(fā)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，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(jī)的運(yùn)行條件。在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動(dòng)機(jī)提供模擬生物質(zhì)氣體燃料，數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。采用NI LabVIEW軟件和PXI硬件測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的每個(gè)輸入輸出信號(hào)。

圖1 實(shí)驗(yàn)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(dú)立監(jiān)測(cè)和控制6類氣體(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(fù)雜的過程。

所用原材料的生物質(zhì)資源種類或者氣化方法的不同，以及燃料生成器內(nèi)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?xì)怏w(二氧化碳和氮?dú)?，因此其熱值低于市場(chǎng)上銷售的氣體燃料，這可能會(huì)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)引起很多問題。

有機(jī)物質(zhì)通過發(fā)酵和熱解產(chǎn)生生物質(zhì)氣體，其中的可燃?xì)怏w(例如甲烷和氫氣以及一氧化碳)與非可燃?xì)怏w(例如二氧化碳和氮?dú)?相互混合。使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，同步測(cè)量信號(hào)和提高機(jī)械運(yùn)行效率是實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)主要的難題。

測(cè)量

為了分析和評(píng)估燃料氣體成分的差異對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行必要條件的影響，我們測(cè)量了大量數(shù)據(jù)。此時(shí)必須保證測(cè)量與發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的運(yùn)動(dòng)同步以方便后續(xù)分析。采樣率需要具有靈活性：壓力信號(hào)變化劇烈，我們每一度曲軸轉(zhuǎn)角采樣一次(標(biāo)定轉(zhuǎn)速1500rpm的發(fā)動(dòng)機(jī)需要9000Hz的采樣率);溫度變化相對(duì)較慢，曲軸每轉(zhuǎn)一圈采樣一次。

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

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行控制

啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，我們必須連接離合器，轉(zhuǎn)動(dòng)自啟動(dòng)電機(jī)，當(dāng)燃料供給建立時(shí)斷開離合器。進(jìn)一步，發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，利用執(zhí)行機(jī)構(gòu)(例如氣門、質(zhì)量流量控制器和火花塞)調(diào)整空氣和燃料流量和點(diǎn)火定時(shí)以實(shí)現(xiàn)提前設(shè)定的實(shí)驗(yàn)條件。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

測(cè)量方面，采用PXI-6071E以旋轉(zhuǎn)編碼器的信號(hào)為基準(zhǔn)在每一個(gè)曲軸轉(zhuǎn)角對(duì)傳感器的輸出進(jìn)行采樣。運(yùn)行控制方面，我們采用PXI- 6733模塊操作各執(zhí)行器，例如離合器、自啟動(dòng)電機(jī)、節(jié)氣門和質(zhì)量流量控制器;采用PXI-6602生成點(diǎn)火信號(hào)。

為了開發(fā)模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統(tǒng)，我們采用了商用桌面PC和PXI機(jī)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(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)使用了一個(gè)NI PXI-8176控制器、PXI-6071E模擬輸入多功能數(shù)據(jù)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(shù)字I/O模塊。NI硬件統(tǒng)一了運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)需要操作的各個(gè)設(shè)備I/O的信號(hào)。我們采用PC搭建的系統(tǒng)能夠運(yùn)行發(fā)動(dòng)機(jī)并進(jìn)行各種測(cè)量。

從PXI-6733輸入的電壓控制各氣體成分的流量，PXI-6031E測(cè)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(tǒng)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?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量設(shè)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(tǒng)一使用NI公司的產(chǎn)品，并搭建發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)我們都采用LabVIEW來(lái)進(jìn)行軟件開發(fā)。

結(jié)果

我們還采用LabVIEW來(lái)分析數(shù)據(jù)。從實(shí)驗(yàn)到分析整個(gè)過程中的所有工作都可以通過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(jié)省了時(shí)間。在測(cè)量方面，我們成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸運(yùn)動(dòng)的同步采樣。只需使用PC就完成了測(cè)試，這簡(jiǎn)化了測(cè)試操作。另外，利用軟件可以輕松的設(shè)置每通道的采樣率和測(cè)量范圍。

圖2(a) 發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制

圖2(a)是發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量控制程序，它具有自動(dòng)處理發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)程序、手動(dòng)控制和調(diào)節(jié)執(zhí)行器至實(shí)驗(yàn)條件以及測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的功能。

圖2(b)是設(shè)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(shè)置和監(jiān)測(cè)7種氣體的流量。我們利用這些數(shù)據(jù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行分析，所用的分析程序如圖3所示。

圖2(b) 設(shè)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(jié)論

最后，為提高進(jìn)一步開發(fā)的效率，當(dāng)在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，只需改動(dòng)軟件就可以實(shí)現(xiàn)新的系統(tǒng)就可以。本系統(tǒng)采用LabVIEW，成功地為一臺(tái)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)搭建了一套測(cè)量控制系統(tǒng)。不僅提供了靈活的設(shè)置并能處理大量的I/O信號(hào)，還大大縮減了實(shí)驗(yàn)時(shí)間。實(shí)用性很高。