基于NI LabVIEW和PXI硬件測量發(fā)動機的測量控制系統(tǒng)
方案
為了開發(fā)生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機,必須清楚燃料熱值和氣體成分的差異如何影響發(fā)動機的運行條件。在發(fā)動機運行實驗中,模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器為發(fā)動機提供模擬生物質(zhì)氣體燃料,數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集實驗數(shù)據(jù)。采用NI LabVIEW軟件和PXI硬件測量發(fā)動機和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的每個輸入輸出信號。
圖1 實驗裝置示意圖
生成模擬生物質(zhì)氣體
7個生物質(zhì)流量控制器獨立監(jiān)測和控制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,必須同時控制7個控制器以生成任意混合比的模擬生物質(zhì)氣體,這是一個復(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)溫度波動而引起的改變,都會使氣體混合比產(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(二氧化碳和氮氣),因此其熱值低于市場上銷售的氣體燃料,這可能會在發(fā)動機運行時引起很多問題。
有機物質(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(例如二氧化碳和氮氣)相互混合。使用這些裝置進(jìn)行發(fā)動機運行實驗,同步測量信號和提高機械運行效率是實驗的兩個主要的難題。
測量
為了分析和評估燃料氣體成分的差異對發(fā)動機運行必要條件的影響,我們測量了大量數(shù)據(jù)。此時必須保證測量與發(fā)動機曲軸的運動同步以方便后續(xù)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(zhuǎn)角采樣一次(標(biāo)定轉(zhuǎn)速1500rpm的發(fā)動機需要9000Hz的采樣率);溫度變化相對較慢,曲軸每轉(zhuǎn)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(shè)置以獲得精確的測量。
發(fā)動機運行控制
啟動發(fā)動機時,我們必須連接離合器,轉(zhuǎn)動自啟動電機,當(dāng)燃料供給建立時斷開離合器。進(jìn)一步,發(fā)動機運轉(zhuǎn)過程中,利用執(zhí)行機構(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火定時以實現(xiàn)提前設(shè)定的實驗條件。
系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
測量方面,采用PXI-6071E以旋轉(zhuǎn)編碼器的信號為基準(zhǔn)在每一個曲軸轉(zhuǎn)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(zhí)行器,例如離合器、自啟動電機、節(jié)氣門和質(zhì)量流量控制器;采用PXI-6602生成點火信號。
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)動機測量控制系統(tǒng)使用了一個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PXI-6733高速模擬輸出模塊以及PXI-6602定時和數(shù)字I/O模塊。NI硬件統(tǒng)一了運行發(fā)動機時需要操作的各個設(shè)備I/O的信號。我們采用PC搭建的系統(tǒng)能夠運行發(fā)動機并進(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測量實際流量。PC同步控制7個質(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。為同時操控七個控制器,我們在發(fā)動機測量設(shè)備和模擬生物質(zhì)氣體燃料生成器的各個輸入/輸出接口統(tǒng)一使用NI公司的產(chǎn)品,并搭建發(fā)動機測量控制系統(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來進(jìn)行軟件開發(fā)。
結(jié)果
我們還采用LabVIEW來分析數(shù)據(jù)。從實驗到分析整個過程中的所有工作都可以通過LabVIEW來完成。由于不需要進(jìn)行多種語言混合編程,因而進(jìn)一步節(jié)省了時間。在測量方面,我們成功實現(xiàn)了對發(fā)動機曲軸運動的同步采樣。只需使用PC就完成了測試,這簡化了測試操作。另外,利用軟件可以輕松的設(shè)置每通道的采樣率和測量范圍。
圖2(a) 發(fā)動機測量控制
圖2(a)是發(fā)動機測量控制程序,它具有自動處理發(fā)動機啟動程序、手動控制和調(diào)節(jié)執(zhí)行器至實驗條件以及測量實驗數(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7種氣體的流量。我們利用這些數(shù)據(jù)對發(fā)動機性能進(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)在實驗基礎(chǔ)上制造生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機控制系統(tǒng)時,只需改動軟件就可以實現(xiàn)新的系統(tǒng)就可以。本系統(tǒng)采用LabVIEW,成功地為一臺生物質(zhì)氣體燃料發(fā)動機搭建了一套測量控制系統(tǒng)。不僅提供了靈活的設(shè)置并能處理大量的I/O信號,還大大縮減了實驗時間。實用性很高。