基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

虛擬儀器是利用圖形化編程語言(G語言)在計(jì)算機(jī)上開發(fā)的一種儀器，它結(jié)合了簡(jiǎn)單易用的圖形開發(fā)環(huán)境和靈活強(qiáng)大的編程語言，為用戶提供了一個(gè)直覺式環(huán)境，在數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化測(cè)試和儀器控制等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中采用虛擬技術(shù)，以通用計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，充分利用計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源來完成數(shù)據(jù)采集、處理和結(jié)果顯示等功能;其克服了傳統(tǒng)儀器運(yùn)算速度受限，開發(fā)周期較長(zhǎng)、編程效率低、程序固化而系統(tǒng)擴(kuò)展性能差、不能進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析處理和數(shù)據(jù)

存儲(chǔ)空間小等方面的不足。

基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)正是充分利用了LabVIEW強(qiáng)大的工具、函數(shù)以及圖形化控件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)油耗的自動(dòng)測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警。

1 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案

系統(tǒng)是在原發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)控臺(tái)架上設(shè)計(jì)開發(fā)了一種瞬態(tài)油耗測(cè)試系統(tǒng)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)大致由3部分組成：第1部分為油耗傳感器，其功能是把發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗等性能參數(shù)通過傳感器轉(zhuǎn)為相應(yīng)的電信號(hào)，此處可充分的利用發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)控臺(tái)架得到轉(zhuǎn)速和扭矩等信息;第2部分為數(shù)據(jù)采集卡，NIUSB9219自帶信號(hào)調(diào)理功能，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣、放大、A/D轉(zhuǎn)換，并把采集到的數(shù)據(jù)以一定的格式傳送給上位計(jì)算機(jī);第3部分為計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，其功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)以及報(bào)警指示。

系統(tǒng)采用的是美國(guó)NI公司的NI USB9219數(shù)據(jù)采集卡，是一款即插即用、具備4通道6端子連接器，可測(cè)量應(yīng)變計(jì)、RTD、熱電偶、測(cè)壓元件和其他需要供電的傳感器信號(hào)的數(shù)據(jù)采集卡。每條通道都接受單獨(dú)選擇，都可以分別采集模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)。借助于250 Vrms的通道間隔離，USB-9219不僅保護(hù)了周圍的模塊、機(jī)箱和經(jīng)連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而且保護(hù)了相同模塊內(nèi)的其他通道。除提高安全性之外，通道間隔離還消除了與接地回路相關(guān)的問題。油耗傳感器輸出的信號(hào)直接輸入NIUSB9219的通道，經(jīng)上位機(jī)的LabVIEW油耗測(cè)試軟件分析處理，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并送給顯示器輸出實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)提供依據(jù)。

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2 油耗測(cè)試原理

燃油消耗率是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。測(cè)定燃油消耗率(簡(jiǎn)稱耗油率)的方法通常有容積法、重量法、流量計(jì)法和流速計(jì)法等。本系統(tǒng)選用的是質(zhì)量式油耗傳感器，通過測(cè)量一段時(shí)間內(nèi)所消耗的燃油重量計(jì)算出發(fā)動(dòng)機(jī)單位時(shí)間內(nèi)的油耗量，計(jì)算公式為：G=3.6ω/t。式中：ω為燃油質(zhì)量，單位：g;t為測(cè)量時(shí)間，單位：s;G為燃油消耗量，單位：kg/h。

質(zhì)量式油耗傳感器由稱量裝置、計(jì)數(shù)裝置和控制裝置組成，如圖2所示。稱量裝置通常利用臺(tái)秤改制，量程為10kg，稱量誤差為±0.1-%。稱量裝置的秤盤上裝有油杯(圖2中的1)，燃油經(jīng)電磁閥(圖2中4)加入油杯。電磁閥的開閉由裝在平衡塊上的行程限位器(圖2中7)撥動(dòng)2個(gè)微型限位開關(guān)(圖2中5和6)來控制。光電傳感器給出油耗始點(diǎn)和終點(diǎn)信號(hào)，它由2個(gè)光電二極管(圖2中8和9)裝在棱形指針上的光源10組成，光電二極管(圖2中8)為固定式，光電二極管(圖2中9)裝在活動(dòng)滑塊上，滑塊通過齒輪齒條機(jī)構(gòu)移動(dòng)，齒輪軸與鼓輪(圖2中12)相連，計(jì)量的燃油量通過轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪(圖2中12)從刻度盤上讀出。計(jì)量開始時(shí)，光源(圖2中10)的光束射在光電二極管(圖2中8)上，光電二極管發(fā)出信號(hào)，使計(jì)數(shù)器(圖2中13)開始計(jì)數(shù)，隨著油杯中燃油的消耗，指針移動(dòng)。當(dāng)光束射到光電二極管(圖2中9)上時(shí)，光電二極管(圖2中9)發(fā)出信號(hào)，使計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 編程思想

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)需要在開始時(shí)通過怠速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行預(yù)熱;預(yù)熱完畢后冷卻水溫度達(dá)到額定值，當(dāng)速度穩(wěn)定在設(shè)定值時(shí)，開始運(yùn)行主程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、處理和記錄，如圖3。當(dāng)油耗量低于預(yù)設(shè)的min值時(shí)，報(bào)警指示燈顯示為綠色;當(dāng)油耗量超過預(yù)設(shè)的max值時(shí)，報(bào)警指示顯示為紅色。

3.2 用戶界面和功能

這里利用簡(jiǎn)單、易用、圖形化控件的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫操作界面，如圖4所示。主操作界面分為控制和顯示2個(gè)區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集的控制和顯示。顯示部分包括轉(zhuǎn)速、扭矩、油耗等參量的顯示，還包括超過極限報(bào)警指示燈顯示;控制部分包括各測(cè)量?jī)x控制開關(guān)、采集速率、參數(shù)值設(shè)置、極限值、初始值等的設(shè)置。

主程序軟件按功能分為轉(zhuǎn)速計(jì)、扭矩計(jì)、油耗儀等測(cè)試模塊，每個(gè)模塊可獨(dú)立使用，測(cè)試單個(gè)內(nèi)容。當(dāng)信號(hào)采集完成后，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和保存。對(duì)于設(shè)計(jì)的油耗測(cè)試可通過LabVIEW的編譯功能，把程序編成.exe文件，并生成運(yùn)行包，脫離LabVIEW運(yùn)行。此時(shí)，用戶將看不見源代碼，有利于操作安全和程序保護(hù)。

4 系統(tǒng)特點(diǎn)

(1)系統(tǒng)基于原有的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)控臺(tái)架和方便快捷的LabVIEW開發(fā)平臺(tái)，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相比，具有研制周期短、開發(fā)成本低、界面友好、易于搭建系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、易于功能擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。

(2)以便攜式筆記本為主控單元、以NI USB9219多功能數(shù)據(jù)采集卡(即插即用)進(jìn)行測(cè)試，以LabVIEW為軟件開發(fā)平臺(tái)研制的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)，不僅有利于減少各種控制按鈕、旋扭及功能切換開關(guān)，也大大提高了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，保證了各參數(shù)測(cè)試的精度和穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

基于LabVIEW的發(fā)動(dòng)機(jī)油耗測(cè)試系統(tǒng)，充分發(fā)揮了虛擬技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，使系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)便、功能完善、性價(jià)比高的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的測(cè)量和顯示、數(shù)據(jù)的監(jiān)控報(bào)警、數(shù)據(jù)的分析和自動(dòng)記錄、顯示各種曲線等功能，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架測(cè)試的自動(dòng)化水平，為汽車發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)檢測(cè)提供依據(jù)，也為發(fā)動(dòng)機(jī)的研制生產(chǎn)提供了較為先進(jìn)的測(cè)試手段。