水力测功器控制系统的研发

1概述 　　C-8型水力测功器系用于测定船用或固定式柴油机及其它动力机器的输出功率的一种试验机器。可供内燃机制造厂和修配厂、其它动力机器制造厂和修配厂、科研教学部门等单位使用。为此研制一套控制装置，在控制技术方面得到了很大的提高，其功能、精度、可靠性均达到预期的要求。经过一年来的实际使用得到了满意的效果。 2水力测功器的载荷调节方式 　　水力测功器的载荷调节是靠调节进、出水量的大小来实现的。若出水阀位置固定在某一位置时，进水阀开大，进水压力升高，进入测功器壳体内的水量增加，从而增大了椭园工作腔的水量，增加吸收功率的能力。若进水阀门固定在某一定位置时，出水阀门关小，测功率机壳流出的水量减少，也增大了椭圆形工作腔内的水量即增大了吸收功率的能力。反之，即减少了吸收功率的能力。水环厚度增大，负荷增大，水环厚度减小，负荷减小。当负荷增减时，水环厚度也增减，水环中央的空气量也随着减小或增加，使负荷调节灵敏，工作时水环厚度也稳定。知道了这些原理后,根据具体情况确定进水阀门开度固定在某一位置，以调节出水阀门开度来实现调节负荷的方案。 3控制系统方案的确定及实施 　　控制对象定为水力测功器的两个出口水阀（一为正转时用、二为反转时用）。实际使用中水力测功器的出口阀调节用伺服马达带动，阀杆上部做成螺杆形式,其连接用螺杆与螺杆啮合转动的方法。设计中为了避免开关阀门时被卡死或马达堵转而烧毁，用两种控制方式来限制螺杆的上下行程，即电子式限制和限位开关。电子式限制是指设定伺服马达正转（或反转）的所转圈数值。 　　检测器件定为一只拉压传感器，两只接近开关（转速转感器）作为显示转速、扭矩、功率三个参数的采样信号。拉压传感器是利用应变片受力后发生应变使电阻值发生变化的原理来测量拉力（或压力）的。根据6260型柴油机输出功率为500HP马力、额定转速为400rpm，水力测功器机壳的力臂长度0.7162米。通过计算确定拉压传感器的测力范围为（-5吨～5吨）,选用ACY型拉压传感器系列，性能稳定、工作可靠、精度较高。两只接近开关（转速转感器）用于检测柴油机（测功器）正、反转时的脉冲信号。 　　水力测功器安装时，由两个轴承固定在底座上，测功器机壳浮动联接转轴上，转轴转动壳体受力也能摆动，壳体径向一端连接拉压传感器上端，拉压传感器下端固定在底座上。所以柴油机在正转（反转）时拉压传感器受到拉力（压力），主轴中心线与拉压传感器的距离即为力臂的长度。根据力臂、力矩（转矩或扭矩）的定义：一个可绕固定轴转动的钢体，当所受外力在垂直于转轴的平面内时，力的作用线和转轴之间的垂直距离（称为这力对转轴的力臂）与力大小乘积称为这力对转轴的力矩，又称扭矩。扭矩的测量方法按其原理分为三类：扭轴法、平衡力法、电机参数法。这里用平衡力法来测量扭矩，平衡力法是测力矩M作用的转轴上施加一个力臂L固定的力F，当两力矩平衡时测出力F，即可求得被测力矩M=F•L。因此平衡力法是把力矩测量转化为力的测量。由于测功器的力臂长度是恒定的，因而通过测得的拉力（或压力）值就可得到柴油机正、反转的扭矩。 功率即通过计算公式： P=2πM•n/（60×1000）（KW） 即得 P=M•n/9550 （KW） P------发动机的有效功率（KW） M------扭矩数字显示的扭矩（N•m） n------测功器的转速（即发动机的转速）。 综上所述：用流程框图来表示水力测功器控制系统设计方案 4控制系统硬件、软件概况 　　对控制系统硬件、软件的要求原则：简单可靠、经济实用。直流电源部分由专用的开关电源来提供；控制信号线均用屏蔽线，提高信号的抗干扰能力。系统硬件包括MPU电路（采用PHILIPS的80C552）、控制板电路、显示板电路、限位控制电路、马达控制电路等部分组成。控制系统软件由动态显示、转矩检测、转速检测、检测报警等部分组成。 5水力测功器的校准及控制系统的调试 　　为保证测功器的准确度，对测功器应进行校准。将水力测功器控制系统通电，扭矩显示应为“零”，把校准杠杆及托盘装在测功器上，此时显示也应为“零”。若不对“零”，可在轻的一侧加重块，使显示为“零”。在校准杠杆托盘上依次加法码，记下扭矩读数，（其校准重块与扭矩显示的标准值的关系，允许的误差由厂家提供），加法码或减法码反复三次。其相对误差值不应超过水力测功器的准确度。若校准的过程中，其扭矩读数超出厂家提供的扭矩值，则通过操作控制板上的“ADJIUST”键参数修正，使扭矩读数达到需要值。用上述方法依次逐点校准直到最大扭矩为止。卸下重力块，拆下托盘杠杆装在测功器上的支架，静态校准完成。然后进行动态调试，起动柴油机保持在额定转速下运行，调节测功器的出口阀的开度进行加载或减载试验。可以通过操作面板上的加载或减载按钮直接控制，此时观察柴油机的转速 扭矩 功率的显示值，水力测功器的工作状态。值得注意的是：在（50%～100%额定负载）调试时，测功器出口阀开度的控制尤其重要，它直接影响到柴油机的工况。因为测功器有一个滞后过程，只能缓慢地旋动出水阀门，使负荷逐步增加或减小，避免因急剧地旋动出水阀门造成突然过载或卸载而引起的事故，调节好负荷后应使出水温度不高于70C，否则因水温过高影响水力测功器的稳定性，严重时将损坏轴封，引起大量漏水，机壳油漆脱落等现象。 6结束语 　　水力测功器控制装置的研制成功，极大地方便了对柴油机输出功率，输出扭矩的测量；进而通过测量作出柴油机的各种特性曲线（如调速特性、负载特性等）。由于使用了集成化技术，因而精度、可靠性得到了提高，也减小了控制装置的体积。 参考文献 《自动控制元件及线路》梅晓榕等编著 哈尔滨工业大学出版社 2001.1 《感应技术基础》 孙传友 孙晓斌编著 电子工业出版社 2001.8 《非电量测量技术基础》张迎新 雷道振等编著 北京航空航天大学出版社 2002.2