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船用柴油机参数采集与分析系统的设计 摘要
本文介绍了基于AC6111高速A / D采集卡的船用柴油机运行参数采集分析系统。压力传感器用于发动机气缸压力信号的产生。在放大和滤波后，将信号发送到船用柴油机参数采集和分析过程中，通过可视化的基本语言编译，收集钢瓶压力，实时保存压力数据。与此同时，圆筒压力曲线、瞬态速度曲线和热释放曲线适应曲柄角的变化显示出来。同时，可以在曲线上显示操作参数的坐标，也可以通过回放功能检查发动机性能。
关键字：船用柴油机;压力采集;过滤;燃烧分析。
- 介绍
内燃发动机的参数收集和分析系统是由一些国外公司设计的，典型的产品包括瑞士公司的Kistler Ki-Box燃烧分析仪、奥地利公司AVL670燃烧分析仪、日本Ono公司的CB366燃烧分析仪等。目前，AVL和Ono在中国被广泛使用。国内研究机构和高校也开发了参数采集分析系统或燃烧诊断仪器，如浙江大学开发的单片微处理器采集和处理系统。大连海事大学研制了12V230柴油机的柴油测试微机测控系统[1]。天津大学设计了用于低热回收压缩空气发动机的参数获取和控制系统[2]。上海内燃机研究所研制了一套EAS800燃烧分析系统。与国外产品相比，国内产品的普遍应用较差，但由于针对特定的目标，成本与有效的比率较高[3]。本文对6135型船用柴油机的运行参数采集与分析系统进行了探讨。将硬件滤波方法与程序平滑法结合起来，提高了数据的质量。该软件采用Visual Basic编程，基于气缸压力数据，气缸压力曲线，发动机转速，瞬态热释放曲线和累计热量释放曲线，在数值处理后显示给用户，它也可以通过回放功能显示所获得的日期，以及所有曲线的坐标[4]。
- 采购和分析系统的硬件设计
6135船用柴油机被选为我们实验室的试验样机。硬件由压力传感器、信号调节单元、信号采集和分析处理单元[5]组成。
2.1. 压力传感器
压力传感器模型KD2005，是一个压电式压力传感器。它具有高的电灵敏度，线性度小，温度系数小，频率范围宽，能适应恶劣的环境，如发动机气缸压力在高温下的采集。
-
- 电荷放大器
电荷放大器模型KD2005，是一种与低噪声电荷放大器的输入电荷量成正比的输出，用于放大压力传感器的信号。
-
- 滤波电路
基于下列公式
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fmax |
kn |
|
150 3000 |
7500Hz |
(1) |
|
|
30tau; |
30 2 |
|||||
分析表明，频率超过7500Hz可以作为干扰源。采用二阶低通有源滤波器，将截止频率设为3750Hz。在实际操作中，滤波器的工作频率与表1所示的电容有对应关系。根据公式（2）滤波电容器C = 0.01ȝf。
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omega; 0 = |
1 |
, |
|
RC |
||
获得Rsect;ȍ267。设Au = 2，得到Rf = R1
表1
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Frequency |
(1~10) |
10~102 |
102~103 |
1~10 |
10~103 |
102~103 |
|
Hz |
Hz |
Hz |
KHz |
KHz |
KHz |
|
|
Capacity |
(20~10) |
10~0.1 |
0.1~0.01 |
104~103 |
103~102 |
102~10 |
|
ȝF |
ȝF |
ȝF |
pF |
pF |
pF |
|
滤波电路图如图1所示。
图1滤波线路图
-
- .光电编码器
在曲轴上安装了光电编码器E6A2- CW5C。它发送一个TDC信号触发采样，每转720个时钟发送一个信号作为采样时钟参考[6]。
2.5. A / D转换器
A/D转换器使用12位高速数据。收购卡AC6111由双诺公司生产。特点如下:
1)AC6111是一种通用的高速a /D板，使用PCI总线来支持插头和播放。
2)12位400KHz /D转换器。
3)AD接口使用4KB FIFO，支持大容量数据采集。信号的最高频率为fmax，采样频率为f。根据香农采样定理,如果fge;2 fmax,采样信号能够恢复原始信号。在实践中,
|
f ge; (4 minus; 10) fmax |
(3) |
对于汽油机来说，采样频率至少是压力波基本频率的75倍,最好是100倍。对于柴油发动机来说，最高频率通常是它的150倍。谐波的频率是:
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fmax |
kn |
|
150 3000 |
7500Hz |
||
|
30tau; |
30 2 |
|||||
fmax是最大谐波频率。k是谐波的数量(对于柴油发动机，k = 150)。n为发动机转速(nmax =3000r/min)。tau;是中风的柴油机数量(tau;= 2)。光电编码器精度1脉冲/ 0.5̓CA,所以采样频率是:
|
f |
360 2n |
12n 12 3000 |
36000Hz |
|||
|
60 |
||||||
|
f |
|
36000 |
9.6 isin; 4 ~10 |
(6) |
|
|
fmax |
|||||
|
3750 |
|||||
根据公式(6)的结果，所选的卡可以满足采集要求。
基于VB的柴油机硬件连接图如图2所示。
图2硬件连接示意图。
- 采集分析系统的软件设计。
系统开发平台基于windows下的Visual Basic语言。VB具有开发周期短、录入方便等优点，该软件可通过二维数组实现用户指定目录中存储的压力数据。使用声明的对象。用特定的步骤绘制曲线。
软件设计主要包括采集驱动程序、气缸压力整流罩程序、显示程序、数据分析程序(热释放率、示功图)。
3.1. 获取驱动程序
驱动程序是卡和外围设备之间的通信。通过这个程序，pc可以控制硬件的工作。采集卡驱动程序是用VB语言编写的。为了准确地实现气缸压力与曲柄角度的关系，一般采用编码器信号作为依据。在软件部分,通过设置InitWord。ad_mode=3选择外部触发和外部时钟采集模式。
3.2平滑程序
一般来说，采集系统的数据通常都有噪声。噪音的来源有两种:一种是周期性的噪音，另一种是不规则的噪音。前者的典型代表是50Hz噪声。后一种代表是随机信号。由于随机扰动，曲线上的离散数据总是显示锯齿。为了减少干扰，提高曲线的平滑度，需要对采样数据进行平滑处理。在比较了一系列方法后，选择了5倍的平滑拟合整流器[7]。VB代码如下所示。
For j = 0 To form2.Text2.Text
p(0) = (69 * p(0) 4 * (p(1) p(3)) - 6 * p(2) - p(4)) / 70
p(1) = (2 * (p(0) p(4)) 27 * p(1) 12 * p(2) - 8 * p(3)) / 35
|
For i = 3 To 28797 |
|
|
p(i) = (-3 * (p(i - 2) p(i 2)) 12 * (p(i - 1) p(i |
|
|
p(23996) = (2 * (p(251) p(255)) - 8 * p(252) 12 * |
|
|
p(253) 27 * p(254)) / 35 |
|
|
p(23997) = (-p(251) 4 * (p(252) p(254)) - 6 * p(253) |
|
|
69 * p(255)) / 70 |
|
|
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