一  工作原理

1．概述

NCK2000发动机测控系统是为各类发动机台架试验设计的专用设备,与各种型号的测功器配套使用,自动测量发动机的转速、扭矩、油耗和多路温度、压力等参数,采用计算机技术,实现发动机各种试验工况的自动控制。

系统配接大屏幕显示器实现操作室内外试验参数同步显示,NCK2000系统可配接上位机系统,实现远程控制、报表编辑和曲线拟合等一系列功能。

NCK2000系统以80196单片机为核心,改变了传统的模拟控制方式,采用先进的数字控制技术,全数字化操作,使操作更为直观；模块化设计,可靠性得到提高,通过不同形式的模块组合,可同时满足发动机制造厂家、科研单位和大专院校等对发动机试验的不同需要。

2 测量

    测量参数有转速、负荷、油耗、压力、温度及油门和水门位置反馈。

2.1 转速测量与上位机 

      转速测量原理如图1。

图1  转速测量原理图

       磁电式测速传感器拾取测速齿轮的信号,将测速脉冲送入整形放大电路,经计数器计数后变为相应的转速数字信号。转速信号的计数采用等精度测量法,由外部输入的5ms脉冲信号控制计数器计数,具有较高的采样频率和测量精度。

2.2 负荷、温度、压力、油门和水门位置反馈测量

    这些参数均属模拟量,其测量原理如图2。

图2 模拟量测量原理

2.2.1 负荷测量

    测功器吸收的负荷通过测功器连杆传到拉压传感器上,当传感器得到正常的供给电源时,在测功器外壳的作用下,传感器就会有微弱的电信号输出,该信号与传感器所受的外力成正比。通过高精度直流放大器放大后经A/D转换,转换成相应的负荷数字信号。

2.2.2 温度测量

    Pt100热电阻或K分度热电偶等温度传感器能产生与温度成一定比例的电压信号,该信号经高精度直流放大器放大后,做A/D转换得到相应温度的数字信号。

2.2.3 压力测量

    压力变送器在得到正常的工作电源时,产生与被测压力成正比的电流信号,由电流/电压转换电路转换成电压信号, 该信号经高精度直流放大后,做A/D转换产生相应的压力数字信号。

2.2.4 油门和水门位置反馈

    油门和水门执行器产生与其位置开度值成正比的电压信号,反馈至高精度直流放大器放大后,做A/D转换,产生与油门和水门开度值成比例的数字信号。

   转速、负荷的测量信号,一方面作为测量参数,经相关数值运算和处理后,送显示和通信输出;另一方面,作为受控参数,将以反馈信号的形式参与控制运算。

2.3 油耗测量

    油耗测量采用独立的结构,油耗测量仪与上位机之间通过CAN总线或232串行接口进行数据通信,实现测量结果和控制信号的相互传输, NCK2000控制油耗仪启动或停止测量,同时接收油耗仪的测量数据,将油耗测量结果经处理后,供显示、打印和通信输出。油耗测量原理请参阅《HZB2000油耗测量仪用户手册》。

3． 计算

    转速、负荷、油耗等测量参数经相应数据处理后,得到扭矩、功率、油耗率等测量结果,其计算公式为:

 扭矩:  Me=0.9549*W  Me—扭矩(N·m)  W—负荷(N)

 功率:  Pe=n*W/10000  Pe—功率(kw)  n—转速(r/min) W—负荷(N)

 油耗量: Gf=(ΔG/Δt)*3.6   Gf—油耗量(kg/h)   ΔG—油耗质量(g)  Δt—油耗时间(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系统以双回路数字调节器为核心,配以油门执行器和水门执行器等功能部件,综合转速、扭矩、油门和水门位置反馈等测量信号,实现计算机数字控制。控制回路分为油门控制回路和测功器控制回路,其中油门控制回路有油门恒位置控制和恒转速控制两种方式。测功器控制回路有测功器恒位置控制、恒扭矩控制、平方特征控制、恒转速控制四种方式,其控制原理分别如图4-1至4-5。

图4-1  油门恒位置控制

图4-2  油门恒转速控制

图4-3  测功器恒位置控制

图4-4  测功器恒扭矩控制

图4-5  测功器恒转速控制

    系统测量的转速、负荷、油门和水门位置信号作为反馈信号与操作面板的控制设定值同时送入数字调节器,由软件作控制运算,数字调节器的运算结果以脉宽调制的形式输出,经功率放大后驱动油门执行器和电动排水阀,完成相应的动作,形成闭环控制,随油门执行器开度位置的改变直接调节发动机喷油量,从而改变发动机的转速。随电动排水阀开度位置的改变直接调节测功器所吸收扭矩值的大小,从而改变发动机的负载。这样可根据需要使发动机运行在不同的工况下,完成各种试验。其中的测功器平方特性控制方式是测功器恒扭矩控制的一种特殊形式,在这种控制方式下,发动机所承受的负载(扭矩值)与转速的平方成正比。其计算公式如下:

    M=kM₀(n/n₀)²

    其中: M—扭矩设定值(单位: N·m);

         k —比例系数(0.000—1.000,由面板给定);

         n —实际转速(r/min);

         n₀—最高转速(r/min)

    5． 扩展功能

    NCK2000系统在上述测量控制功能的基础上,可根据需要方便地扩展大屏幕显示、油耗测量、上位机通信等一系列功能。

    5.1 大屏幕显示

    通过CAN总线（RS232）通信接口,按约定的通信格式,将数据发送至大屏幕显示器,可在大屏幕显示器和NCK2000显示面板之间实现发动机转速、扭矩、功率、油耗率等参数的同步显示。

    5.2 试验报告打印输出

    上位机系统可实现试验报告的曲线拟合和数据报表的打印输出。

    5.3 上位机通信控制系统

NCK2000系统通过CAN接口可与上位计算机连接,实现试验过程远程控制,试验结果报表编辑,曲线拟合等一系列功能。

采用图形操作界面,使用方便,功能强劲。

   5.4 扩充功能

    NCK2000系统常规提供转速、负荷、油耗、1路压力、2路温度,1路排温及油门和水门位置反馈标准模拟输入通道,用户可根据需要方便地扩展更多输入模拟通道,以满足不同的试验需要。

二  系统结构

    1 仪器组成

    NCK2000系统包括NCK2000发动机控制单元(操作台)、测速传感器、拉压传感器、油门执行器、电动排水阀、温度传感器、压力变送器（或远传压力表）等基本功能部件,大屏幕显示器、油耗测量仪、打印机、上位计算机和其它可根据用户特殊要求扩展功能部件。

    2 NCK2000操作台

    NCK2000操作台是NCK2000系统的核心,通过对各种输入信号的处理,完成显示、通信等输出功能,同时通过功能强大控制软件,完成对执行机构的控制,实现发动机工况的自动控制。

    直流放大电路: 对各类传感器产生的模拟信号进行精密放大,送入A/D转换,将直流放大后的模拟信号精确转换成相应的数字信号。

    测速传感器: 安装在测功器上,将发动机主轴输出转速转换成相应的脉冲信号。

    拉压传感器: 安装在测功器上,将测功器所受的外力转换成相应的电信号。

    油耗测量仪: 安装在油箱与发动机之间,独立完成油耗测量功能。

    油门执行器: 与发动机油门连接,通过调节发动机的油门开度控制发动机转速,同时将位置开度信号反馈给控制系统。

    水门执行器: 安装在测功器排水出口处,通过控制测功器吸收的扭矩调节发动机的负载,同时将水门开度位置信号反馈给控制系统。

    温度传感器: 安装在各被测介质处,将温度转换成相应的电信号。

    压力变送器: 安装在被测压力管路上,与管路相连通,将压力转换成相应的电流信号。

    电源系统: 为各部分电路提供正常的工作电源,确保系统安全稳定地运行 

三  安装

    打开仪器包装箱,去除所有运输保护物品,在安装前请仔细阅读本章内容。

    安装包括测速传感器、拉压传感器、油门和水门执行器、温度传感器、压力变送器及NCK2000操作台等部分的安装。测速传感器和拉压传感器在出厂时均已安装在测功器上,并且调整在最佳安装位置,在无异常情况时,无需重新安装调整,如确需重新调整时,则遵循以下原则:

    ※ 测速传感器重新安装后,其固定螺母必须拧紧,防止由于台架振动引起传感器松脱而打坏,传感器与测速齿轮间隙应保证在0.5mm～1.5mm之间。

    ※ 拉压传感器重新安装时,应注意保护传感器不受外力冲击,以免损坏传感器。安装后检查传感器与测功器外壳和底座的两连接部位应无卡阻现象,上下连杆与传感器连接部位应用螺母锁紧,以免影响测量精度。

     ※ 油门执行器可根据发动机的油门形式,选择合理的安装位置,执行器必须安装牢固,不得有松动等现象。执行器与发动机间的连接建议选择刚性杆,在联接处安装万向节轴承,确保连接可靠,运转灵活。

    ※水门执行器在出厂时已安装在测功器上,并调整在最佳状态,用户只需在执行器的出口处按相应接口螺纹安装排水管即可正常使用。

    ※温度传感器可根据需要安装在被测介质处,温度传感器前端至少2/3部分必须伸入被测介质,并保证接口处的密封性。

    ※压力变送器: 可根据需要安装在被测管路上,压力变送器的安装要避免强烈的振动环境,对有强烈振动的管路可设置1m左右的引导管路,使压力变送器减缓振动。

    NCK2000操作台应安装在发动机试验间的隔室,避免长期受油气和水气的侵蚀,同时也可减少噪声对操作者的影响。操作台应放置在坚固平整的地面上,避免强烈阳光的直射,同时应避免长期处于高温和高湿环境中。