專利名稱：微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試領(lǐng)域，準(zhǔn)確地說(shuō)本發(fā)明涉及微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)中對(duì)進(jìn)出口溫度與壓力的精確測(cè)量，以及對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器的精確控制。
背景技術(shù)：
微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)可以研究燃燒室的各項(xiàng)性能參數(shù)，包括高空點(diǎn)火、加速性、 耐久性及冒煙問(wèn)題。微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)中有大量的參數(shù)需要測(cè)量如進(jìn)出口處的壓力值和溫度值，也有大量的狀態(tài)需要控制如空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器開(kāi)關(guān)，如圖1所示。為了便于微型發(fā)動(dòng)機(jī)研究人員進(jìn)行燃燒室相關(guān)試驗(yàn)，需要開(kāi)發(fā)一種發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室自動(dòng)測(cè)控裝置。傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)中的溫度和壓力信號(hào)的采集通過(guò)巡檢儀實(shí)現(xiàn)，采集速率有限，同時(shí)不便于上位機(jī)分析計(jì)算；為了測(cè)量出口截面的總溫度與總壓力，需要轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪鼓，傳統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪鼓的方法是在燃燒室出口軸向方向安裝旋轉(zhuǎn)手柄，通過(guò)手工轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪鼓實(shí)現(xiàn)，該方法操作不便。發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置利用數(shù)據(jù)采集模塊和步進(jìn)電機(jī)的組合，可以在很大程度上提高信號(hào)采集的效率和可操作性，通過(guò)上位機(jī)軟件界面的設(shè)置，可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量等狀態(tài)的精確控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)和研制一種能夠?qū)ξ⑿桶l(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室出口溫度與壓力進(jìn)行精確測(cè)量以及對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器進(jìn)行精確控制的裝置。通過(guò)熱電偶輸入模塊和數(shù)據(jù)采集卡分別采集溫度傳感器和壓力傳感器在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室進(jìn)出口截面某一位置處的信號(hào)，并通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制繼電器發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，控制步進(jìn)電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)；TC，共轉(zhuǎn)120°C來(lái)測(cè)量出口截面的總溫度與總壓力；通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器的精確控制。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置，包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶輸入模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、煤油流量計(jì)、丙烷流流量計(jì)、渦街流量計(jì)、繼電器、 步進(jìn)電機(jī)、微處理器等。溫度傳感器的輸出端接熱電偶輸入模塊的輸入端，熱電偶輸入模塊的輸出端接工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的輸入端，壓力傳感器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端接工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的輸入端，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的輸出端接繼電器的輸入端，繼電器的輸出端接步進(jìn)電機(jī)的輸入端，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與微處理器雙向連接，微處理器的輸出端分別空氣閥、高壓油瓶、油泵和點(diǎn)火器的輸入端連接，丙烷流量計(jì)、煤油流量計(jì)和渦街流量計(jì)的輸出端接微處理器的輸入端。優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集處理器選用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)IPC-6107610。優(yōu)選地，微處理器選用C8051F040單片機(jī)。
3
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)
(1)設(shè)計(jì)中無(wú)論是硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這使得系統(tǒng)擴(kuò)展起來(lái)比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應(yīng)性。(2)步進(jìn)電機(jī)安裝在出口測(cè)量端側(cè)面，通過(guò)皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)鼓筒轉(zhuǎn)動(dòng)，方便測(cè)量出口截面的總溫度和總壓力。(3)溫度信號(hào)與壓力信號(hào)分別采用熱電偶輸入模塊和數(shù)據(jù)采集卡采集，提高了數(shù)據(jù)采集速率和抗干擾性。(4)通過(guò)微處理器控制空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器，控制準(zhǔn)確，方便擴(kuò)展。(5)所有的操作均可以在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的人機(jī)交互界面上實(shí)現(xiàn)，操作簡(jiǎn)便。


圖1微型發(fā)動(dòng)機(jī)微燃燒室試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖； 圖2微型發(fā)動(dòng)機(jī)微燃燒室試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)原理圖3旋轉(zhuǎn)輪鼓與步進(jìn)電機(jī)之間的位置關(guān)系圖； 圖4系統(tǒng)控制流程圖。圖3中標(biāo)號(hào)名稱1.旋轉(zhuǎn)輪鼓2.皮帶輪 3.步進(jìn)電機(jī)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是利用熱電偶輸入模塊和數(shù)據(jù)采集卡采集溫度傳感器和壓力傳感器在燃燒室出口截面某一位置處的信號(hào)，通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)控制繼電器發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，控制步進(jìn)電機(jī)每次旋轉(zhuǎn)3°C，共轉(zhuǎn)120°C來(lái)測(cè)量燃燒室出口截面的總溫度與總壓力；同時(shí)通過(guò)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上的人機(jī)交互界面可以方便地與微處理器進(jìn)行串行通訊，從而實(shí)現(xiàn)微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)中對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器的百分比控制， 分別采用渦街流量計(jì)，丙烷流量計(jì)和煤油流量計(jì)對(duì)空氣流量、丙烷流量和煤油流量進(jìn)行測(cè)量，將測(cè)量值輸出到人機(jī)交互界面上，實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量的精確控制，微型發(fā)動(dòng)機(jī)微燃燒室試驗(yàn)臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)原理圖如圖1、2所示。主要包括以下功能啟動(dòng)進(jìn)出口數(shù)據(jù)采集，即可自動(dòng)完成燃燒室出口截面總溫度與總壓力的信號(hào)采集；通過(guò)在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)上人機(jī)交互界面進(jìn)行設(shè)置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器的精確控制；
通過(guò)熱電偶輸入模塊采集燃燒室出口某一位置的溫度信號(hào)，溫度傳感器采用熱電偶， 熱電偶采用熱電效應(yīng)進(jìn)行溫度測(cè)量。熱電偶裝配簡(jiǎn)單，更換方便，溫度測(cè)量范圍大(一 200°C 1300°C，特殊情況下一 270°C 2800°C )，適合燃燒室出口溫度的測(cè)量。熱電偶選用北京精誠(chéng)航科技開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司生產(chǎn)的W-Re熱電偶，W-Re熱電偶的主要特點(diǎn)是熱電極絲熔點(diǎn)高(3300°C )，蒸氣壓低，極易氧化，在非氧化性氣氛中化學(xué)穩(wěn)定性好，電動(dòng)勢(shì)大，靈敏度高，且價(jià)格便宜。熱電偶輸入模塊采用研華公司生產(chǎn)的ADAM-4118。ADAM-4118為堅(jiān)固型8路熱電偶輸入模塊，具有8路可獨(dú)立配置的差分通道；寬溫運(yùn)行；高抗噪性lkV浪涌保護(hù)電壓輸入，3kV EFT及8kV ESD保護(hù)；抗干擾性強(qiáng)電源輸入端IkV浪涌保護(hù)，3kV EFT及 8kV ESD保護(hù)；增加LED地址指示功能，方便現(xiàn)場(chǎng)快速應(yīng)用。壓力測(cè)量采用型號(hào)為PTH701的超高溫壓力傳感器，壓力信號(hào)由研華公司生產(chǎn)的型號(hào)為IPC-1763UP 1130的數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集。一個(gè)位置的數(shù)據(jù)采集完畢后，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)自動(dòng)向時(shí)間延遲繼電器發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，控制旋轉(zhuǎn)輪鼓每次旋轉(zhuǎn)3V，共旋轉(zhuǎn)120°C完成燃燒室出口截面總壓力和總溫度的測(cè)量。步進(jìn)電機(jī)安裝在燃燒室出口旋轉(zhuǎn)輪鼓的側(cè)面，通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪鼓轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)輪鼓與步進(jìn)電機(jī)之間的位置關(guān)系如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移， 在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，可以通過(guò)控制脈沖數(shù)個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。步進(jìn)電機(jī)選用深圳精博機(jī)電公司生產(chǎn)的型號(hào)為J31112的步進(jìn)電機(jī)。工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與微處理之間進(jìn)行串行通訊，利用微處理器大量的外設(shè)資源來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器的精確控制。微處理器選用低功耗、高性能、 CMOS八位微處理器C8051F040，片內(nèi)有64K字節(jié)的可擦寫存儲(chǔ)器，4352B的片內(nèi)RAM，8組I/O 口，以流水線處理指令。通過(guò)控空氣閥、高壓氣瓶、油泵和點(diǎn)火器的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)空氣流量、 丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器的控制?？諝忾y、高壓氣瓶和油泵的開(kāi)關(guān)可以通過(guò)微處理器控制其打開(kāi)的百分比，通過(guò)渦街流量計(jì)、丙烷流量計(jì)和煤油流量計(jì)對(duì)空氣流量、丙烷流量和燃油流量進(jìn)行測(cè)量輸出到人機(jī)交互界面上，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)大小來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)流量的精確控制?？諝饬髁康臏y(cè)量選用北京菲格瑞思儀表有限公司生產(chǎn)的渦街流量計(jì)，渦街流量計(jì)根據(jù)卡門渦街理論，利用了流體的自然振動(dòng)原理，以壓電晶體或差動(dòng)電容檢測(cè)旋渦分離頻率來(lái)測(cè)量流量。主要特點(diǎn)是壓力損失小，量程范圍大，精度高，在測(cè)量工況體積流量時(shí)幾乎不受流體密度、壓力、溫度、粘度等參數(shù)的影響，無(wú)可動(dòng)機(jī)械零件，因此可靠性高，維護(hù)量小。丙烷流量的測(cè)量選用上海皖科電子科技有限公司生產(chǎn)的VK-LUGB系列丙烷氣體流量計(jì)，該流量計(jì)是利用液體振動(dòng)原理而開(kāi)發(fā)的一種新型流量計(jì)。該流量計(jì)無(wú)可動(dòng)部件，可靠性強(qiáng)、精度高、壽命長(zhǎng)，可在很寬范圍內(nèi)精確測(cè)量液體的瞬時(shí)流量和累計(jì)流量，可輸出脈沖信號(hào)或電流信號(hào)，便于與微處理器進(jìn)行通訊。煤油的測(cè)量選用淮安市紅旗儀表有限公司生產(chǎn)的HQ-LC型橢圓齒輪流量計(jì)，橢圓齒輪流量計(jì)是一種容積型測(cè)量?jī)x表，具有量程范圍大、優(yōu)異的準(zhǔn)確度、壓力損失小、粘度適應(yīng)性強(qiáng)、能測(cè)量高溫高粘液體、標(biāo)定方便、安裝簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)；橢圓齒輪流量計(jì)可現(xiàn)場(chǎng)指示累積流量、瞬時(shí)流量，單次流量等，亦可輸出脈沖信號(hào)、4-20mA或1-5V模擬信號(hào)、4-20mA+HART、MODBUS、支持232，485通訊等，適合與微處理器進(jìn)行通訊。設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)的原理圖，進(jìn)行了硬件電路的加工以及元器件的焊接、進(jìn)行了控制的系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的需求分析，設(shè)計(jì)了各個(gè)功能模塊分別進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試完成后進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，最后軟、硬件進(jìn)行了聯(lián)機(jī)調(diào)試。調(diào)試完成后，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)穩(wěn)定可能，達(dá)到了預(yù)期的性能指標(biāo)。該裝置的控制功能通過(guò)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)輪鼓，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒室出口截面總溫度和總壓力的測(cè)量。同時(shí)利用微處理器來(lái)對(duì)空氣流量、丙烷流量、燃油流量和點(diǎn)火器進(jìn)行精確控制。如圖4所示，開(kāi)機(jī)后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，判斷是否需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，如果需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊采集溫度和壓力信號(hào)，當(dāng)前位置的
數(shù)據(jù)采集完成后，對(duì)時(shí)間延遲繼電器發(fā)出旋轉(zhuǎn)指令，控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)3°，進(jìn)行下一個(gè)位置的數(shù)據(jù)采集工作，步進(jìn)電機(jī)共旋轉(zhuǎn)120°，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)出口截面總壓力和總溫度的數(shù)據(jù)采集。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成后，步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)120°，使步進(jìn)電機(jī)復(fù)位。該裝置在南京航空航天大學(xué)相關(guān)試驗(yàn)中進(jìn)行了使用，表明系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行。
權(quán)利要求
1.一種微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置，其特征在于包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶輸入模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、煤油流量計(jì)、丙烷流流量計(jì)、渦街流量計(jì)、繼電器、步進(jìn)電機(jī)、微處理器；溫度傳感器的輸出端接熱電偶輸入模塊的輸入端，熱電偶輸入模塊的輸出端接工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的輸入端，壓力傳感器的輸出端接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端接工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的輸入端，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)的輸出端接繼電器的輸入端，繼電器的輸出端接步進(jìn)電機(jī)的輸入端，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)與微處理器雙向連接， 微處理器的輸出端分別與空氣閥、高壓油瓶、油泵和點(diǎn)火器的輸入端連接，丙烷流量計(jì)、煤油流量計(jì)和渦街流量計(jì)的輸出端分別接微處理器的輸入端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置，其特征在于所述的熱電偶輸入模塊采用型號(hào)為ADAM-4118的芯片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置，其特征在于所述的微處理器選用C8051F040單片機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種微型發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)控裝置，包括工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、熱電偶輸入模塊、溫度傳感器、壓力傳感器、煤油流量計(jì)、丙烷流流量計(jì)、渦街流量計(jì)、繼電器、步進(jìn)電機(jī)和微處理器。本發(fā)明設(shè)計(jì)中無(wú)論是硬件還是軟件系統(tǒng)中都采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。這使得系統(tǒng)擴(kuò)展起來(lái)比較方便，系統(tǒng)可移植性高，增加了系統(tǒng)的靈活性和可靠性，具有廣泛的適應(yīng)性。
文檔編號(hào)G01M15/05GK102175459SQ20111003108
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者何小明, 張延召, 毛建國(guó), 雷雨冰, 顧筠, 黃國(guó)平 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)