一  工作原理

1．概述

NCK2000發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是為各類發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)的專用設(shè)備,與各種型號(hào)的測(cè)功器配套使用,自動(dòng)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗和多路溫度、壓力等參數(shù),采用計(jì)算機(jī)技術(shù),實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)各種試驗(yàn)工況的自動(dòng)控制。

系統(tǒng)配接大屏幕顯示器實(shí)現(xiàn)操作室內(nèi)外試驗(yàn)參數(shù)同步顯示,NCK2000系統(tǒng)可配接上位機(jī)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、報(bào)表編輯和曲線擬合等一系列功能。

NCK2000系統(tǒng)以80196單片機(jī)為核心,改變了傳統(tǒng)的模擬控制方式,采用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù),全數(shù)字化操作,使操作更為直觀；模塊化設(shè)計(jì),可靠性得到提高,通過(guò)不同形式的模塊組合,可同時(shí)滿足發(fā)動(dòng)機(jī)制造廠家、科研單位和大專院校等對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)的不同需要。

2 測(cè)量

    測(cè)量參數(shù)有轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、油耗、壓力、溫度及油門和水門位置反饋。

2.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量與上位機(jī) 

      轉(zhuǎn)速測(cè)量原理如圖1。

圖1  轉(zhuǎn)速測(cè)量原理圖

       磁電式測(cè)速傳感器拾取測(cè)速齒輪的信號(hào),將測(cè)速脈沖送入整形放大電路,經(jīng)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)后變?yōu)橄鄳?yīng)的轉(zhuǎn)速數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)速信號(hào)的計(jì)數(shù)采用等精度測(cè)量法,由外部輸入的5ms脈沖信號(hào)控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),具有較高的采樣頻率和測(cè)量精度。

2.2 負(fù)荷、溫度、壓力、油門和水門位置反饋測(cè)量

    這些參數(shù)均屬模擬量,其測(cè)量原理如圖2。

圖2 模擬量測(cè)量原理

2.2.1 負(fù)荷測(cè)量

    測(cè)功器吸收的負(fù)荷通過(guò)測(cè)功器連桿傳到拉壓傳感器上,當(dāng)傳感器得到正常的供給電源時(shí),在測(cè)功器外殼的作用下,傳感器就會(huì)有微弱的電信號(hào)輸出,該信號(hào)與傳感器所受的外力成正比。通過(guò)高精度直流放大器放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的負(fù)荷數(shù)字信號(hào)。

2.2.2 溫度測(cè)量

    Pt100熱電阻或K分度熱電偶等溫度傳感器能產(chǎn)生與溫度成一定比例的電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)高精度直流放大器放大后,做A/D轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)溫度的數(shù)字信號(hào)。

2.2.3 壓力測(cè)量

    壓力變送器在得到正常的工作電源時(shí),產(chǎn)生與被測(cè)壓力成正比的電流信號(hào),由電流/電壓轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào), 該信號(hào)經(jīng)高精度直流放大后,做A/D轉(zhuǎn)換產(chǎn)生相應(yīng)的壓力數(shù)字信號(hào)。

2.2.4 油門和水門位置反饋

    油門和水門執(zhí)行器產(chǎn)生與其位置開(kāi)度值成正比的電壓信號(hào),反饋至高精度直流放大器放大后,做A/D轉(zhuǎn)換,產(chǎn)生與油門和水門開(kāi)度值成比例的數(shù)字信號(hào)。

   轉(zhuǎn)速、負(fù)荷的測(cè)量信號(hào),一方面作為測(cè)量參數(shù),經(jīng)相關(guān)數(shù)值運(yùn)算和處理后,送顯示和通信輸出;另一方面,作為受控參數(shù),將以反饋信號(hào)的形式參與控制運(yùn)算。

2.3 油耗測(cè)量

    油耗測(cè)量采用獨(dú)立的結(jié)構(gòu),油耗測(cè)量?jī)x與上位機(jī)之間通過(guò)CAN總線或232串行接口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,實(shí)現(xiàn)測(cè)量結(jié)果和控制信號(hào)的相互傳輸, NCK2000控制油耗儀啟動(dòng)或停止測(cè)量,同時(shí)接收油耗儀的測(cè)量數(shù)據(jù),將油耗測(cè)量結(jié)果經(jīng)處理后,供顯示、打印和通信輸出。油耗測(cè)量原理請(qǐng)參閱《HZB2000油耗測(cè)量?jī)x用戶手冊(cè)》。

3． 計(jì)算

    轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、油耗等測(cè)量參數(shù)經(jīng)相應(yīng)數(shù)據(jù)處理后,得到扭矩、功率、油耗率等測(cè)量結(jié)果,其計(jì)算公式為:

 扭矩:  Me=0.9549*W  Me—扭矩(N·m)  W—負(fù)荷(N)

 功率:  Pe=n*W/10000  Pe—功率(kw)  n—轉(zhuǎn)速(r/min) W—負(fù)荷(N)

 油耗量: Gf=(ΔG/Δt)*3.6   Gf—油耗量(kg/h)   ΔG—油耗質(zhì)量(g)  Δt—油耗時(shí)間(s)      

 油耗率: Ge=(Gf/Pe)*1000  Ge=油耗率(g/kw.h)  Gf—油耗量(kg/h)   Pe—功率(kw)

4． 控制

NCK2000系統(tǒng)以雙回路數(shù)字調(diào)節(jié)器為核心,配以油門執(zhí)行器和水門執(zhí)行器等功能部件,綜合轉(zhuǎn)速、扭矩、油門和水門位置反饋等測(cè)量信號(hào),實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字控制。控制回路分為油門控制回路和測(cè)功器控制回路,其中油門控制回路有油門恒位置控制和恒轉(zhuǎn)速控制兩種方式。測(cè)功器控制回路有測(cè)功器恒位置控制、恒扭矩控制、平方特征控制、恒轉(zhuǎn)速控制四種方式,其控制原理分別如圖4-1至4-5。

圖4-1  油門恒位置控制

圖4-2  油門恒轉(zhuǎn)速控制

圖4-3  測(cè)功器恒位置控制

圖4-4  測(cè)功器恒扭矩控制

圖4-5  測(cè)功器恒轉(zhuǎn)速控制

    系統(tǒng)測(cè)量的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、油門和水門位置信號(hào)作為反饋信號(hào)與操作面板的控制設(shè)定值同時(shí)送入數(shù)字調(diào)節(jié)器,由軟件作控制運(yùn)算,數(shù)字調(diào)節(jié)器的運(yùn)算結(jié)果以脈寬調(diào)制的形式輸出,經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)油門執(zhí)行器和電動(dòng)排水閥,完成相應(yīng)的動(dòng)作,形成閉環(huán)控制,隨油門執(zhí)行器開(kāi)度位置的改變直接調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量,從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。隨電動(dòng)排水閥開(kāi)度位置的改變直接調(diào)節(jié)測(cè)功器所吸收扭矩值的大小,從而改變發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載。這樣可根據(jù)需要使發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行在不同的工況下,完成各種試驗(yàn)。其中的測(cè)功器平方特性控制方式是測(cè)功器恒扭矩控制的一種特殊形式,在這種控制方式下,發(fā)動(dòng)機(jī)所承受的負(fù)載(扭矩值)與轉(zhuǎn)速的平方成正比。其計(jì)算公式如下:

    M=kM₀(n/n₀)²

    其中: M—扭矩設(shè)定值(單位: N·m);

         k —比例系數(shù)(0.000—1.000,由面板給定);

         n —實(shí)際轉(zhuǎn)速(r/min);

         n₀—最高轉(zhuǎn)速(r/min)

    5． 擴(kuò)展功能

    NCK2000系統(tǒng)在上述測(cè)量控制功能的基礎(chǔ)上,可根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展大屏幕顯示、油耗測(cè)量、上位機(jī)通信等一系列功能。

    5.1 大屏幕顯示

    通過(guò)CAN總線（RS232）通信接口,按約定的通信格式,將數(shù)據(jù)發(fā)送至大屏幕顯示器,可在大屏幕顯示器和NCK2000顯示面板之間實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、油耗率等參數(shù)的同步顯示。

    5.2 試驗(yàn)報(bào)告打印輸出

    上位機(jī)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)報(bào)告的曲線擬合和數(shù)據(jù)報(bào)表的打印輸出。

    5.3 上位機(jī)通信控制系統(tǒng)

NCK2000系統(tǒng)通過(guò)CAN接口可與上位計(jì)算機(jī)連接,實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程遠(yuǎn)程控制,試驗(yàn)結(jié)果報(bào)表編輯,曲線擬合等一系列功能。

采用圖形操作界面,使用方便,功能強(qiáng)勁。

   5.4 擴(kuò)充功能

    NCK2000系統(tǒng)常規(guī)提供轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、油耗、1路壓力、2路溫度,1路排溫及油門和水門位置反饋標(biāo)準(zhǔn)模擬輸入通道,用戶可根據(jù)需要方便地?cái)U(kuò)展更多輸入模擬通道,以滿足不同的試驗(yàn)需要。

二  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    1 儀器組成

    NCK2000系統(tǒng)包括NCK2000發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元(操作臺(tái))、測(cè)速傳感器、拉壓傳感器、油門執(zhí)行器、電動(dòng)排水閥、溫度傳感器、壓力變送器（或遠(yuǎn)傳壓力表）等基本功能部件,大屏幕顯示器、油耗測(cè)量?jī)x、打印機(jī)、上位計(jì)算機(jī)和其它可根據(jù)用戶特殊要求擴(kuò)展功能部件。

    2 NCK2000操作臺(tái)

    NCK2000操作臺(tái)是NCK2000系統(tǒng)的核心,通過(guò)對(duì)各種輸入信號(hào)的處理,完成顯示、通信等輸出功能,同時(shí)通過(guò)功能強(qiáng)大控制軟件,完成對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制,實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)工況的自動(dòng)控制。

    直流放大電路: 對(duì)各類傳感器產(chǎn)生的模擬信號(hào)進(jìn)行精密放大,送入A/D轉(zhuǎn)換,將直流放大后的模擬信號(hào)精確轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。

    測(cè)速傳感器: 安裝在測(cè)功器上,將發(fā)動(dòng)機(jī)主軸輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈沖信號(hào)。

    拉壓傳感器: 安裝在測(cè)功器上,將測(cè)功器所受的外力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

    油耗測(cè)量?jī)x: 安裝在油箱與發(fā)動(dòng)機(jī)之間,獨(dú)立完成油耗測(cè)量功能。

    油門執(zhí)行器: 與發(fā)動(dòng)機(jī)油門連接,通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門開(kāi)度控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)將位置開(kāi)度信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。

    水門執(zhí)行器: 安裝在測(cè)功器排水出口處,通過(guò)控制測(cè)功器吸收的扭矩調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)載,同時(shí)將水門開(kāi)度位置信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。

    溫度傳感器: 安裝在各被測(cè)介質(zhì)處,將溫度轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。

    壓力變送器: 安裝在被測(cè)壓力管路上,與管路相連通,將壓力轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)。

    電源系統(tǒng): 為各部分電路提供正常的工作電源,確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行 

三  安裝

    打開(kāi)儀器包裝箱,去除所有運(yùn)輸保護(hù)物品,在安裝前請(qǐng)仔細(xì)閱讀本章內(nèi)容。

    安裝包括測(cè)速傳感器、拉壓傳感器、油門和水門執(zhí)行器、溫度傳感器、壓力變送器及NCK2000操作臺(tái)等部分的安裝。測(cè)速傳感器和拉壓傳感器在出廠時(shí)均已安裝在測(cè)功器上,并且調(diào)整在最佳安裝位置,在無(wú)異常情況時(shí),無(wú)需重新安裝調(diào)整,如確需重新調(diào)整時(shí),則遵循以下原則:

    ※ 測(cè)速傳感器重新安裝后,其固定螺母必須擰緊,防止由于臺(tái)架振動(dòng)引起傳感器松脫而打壞,傳感器與測(cè)速齒輪間隙應(yīng)保證在0.5mm～1.5mm之間。

    ※ 拉壓傳感器重新安裝時(shí),應(yīng)注意保護(hù)傳感器不受外力沖擊,以免損壞傳感器。安裝后檢查傳感器與測(cè)功器外殼和底座的兩連接部位應(yīng)無(wú)卡阻現(xiàn)象,上下連桿與傳感器連接部位應(yīng)用螺母鎖緊,以免影響測(cè)量精度。

     ※ 油門執(zhí)行器可根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)的油門形式,選擇合理的安裝位置,執(zhí)行器必須安裝牢固,不得有松動(dòng)等現(xiàn)象。執(zhí)行器與發(fā)動(dòng)機(jī)間的連接建議選擇剛性桿,在聯(lián)接處安裝萬(wàn)向節(jié)軸承,確保連接可靠,運(yùn)轉(zhuǎn)靈活。

    ※水門執(zhí)行器在出廠時(shí)已安裝在測(cè)功器上,并調(diào)整在最佳狀態(tài),用戶只需在執(zhí)行器的出口處按相應(yīng)接口螺紋安裝排水管即可正常使用。

    ※溫度傳感器可根據(jù)需要安裝在被測(cè)介質(zhì)處,溫度傳感器前端至少2/3部分必須伸入被測(cè)介質(zhì),并保證接口處的密封性。

    ※壓力變送器: 可根據(jù)需要安裝在被測(cè)管路上,壓力變送器的安裝要避免強(qiáng)烈的振動(dòng)環(huán)境,對(duì)有強(qiáng)烈振動(dòng)的管路可設(shè)置1m左右的引導(dǎo)管路,使壓力變送器減緩振動(dòng)。

    NCK2000操作臺(tái)應(yīng)安裝在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)間的隔室,避免長(zhǎng)期受油氣和水氣的侵蝕,同時(shí)也可減少噪聲對(duì)操作者的影響。操作臺(tái)應(yīng)放置在堅(jiān)固平整的地面上,避免強(qiáng)烈陽(yáng)光的直射,同時(shí)應(yīng)避免長(zhǎng)期處于高溫和高濕環(huán)境中。