专利名称：微型发动机燃烧室试验台自动测控装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微型发动机燃烧室试验台测试领域，准确地说本发明涉及微型发动机燃烧室试验中对进出口温度与压力的精确测量，以及对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器的精确控制。
背景技术：
微型发动机燃烧室试验可以研究燃烧室的各项性能参数，包括高空点火、加速性、 耐久性及冒烟问题。微型发动机燃烧室试验中有大量的参数需要测量如进出口处的压力值和温度值，也有大量的状态需要控制如空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器开关，如图1所示。为了便于微型发动机研究人员进行燃烧室相关试验，需要开发一种发动机燃烧室自动测控装置。传统的发动机燃烧室试验中的温度和压力信号的采集通过巡检仪实现，采集速率有限，同时不便于上位机分析计算；为了测量出口截面的总温度与总压力，需要转动旋转轮鼓，传统转动旋转轮鼓的方法是在燃烧室出口轴向方向安装旋转手柄，通过手工转动旋转轮鼓实现，该方法操作不便。发动机燃烧室试验台自动测控装置利用数据采集模块和步进电机的组合，可以在很大程度上提高信号采集的效率和可操作性，通过上位机软件界面的设置，可以方便地实现对空气流量等状态的精确控制。
发明内容
本发明的目的是设计和研制一种能够对微型发动机燃烧室出口温度与压力进行精确测量以及对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器进行精确控制的装置。通过热电偶输入模块和数据采集卡分别采集温度传感器和压力传感器在发动机燃烧室进出口截面某一位置处的信号，并通过工业控制计算机控制继电器发出旋转指令，控制步进电机每次旋转；TC，共转120°C来测量出口截面的总温度与总压力；通过工业控制计算机上的人机交互界面可以实现对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器的精确控制。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案
本发明微型发动机燃烧室试验台自动测控装置，包括工业控制计算机、数据采集卡、热电偶输入模块、温度传感器、压力传感器、煤油流量计、丙烷流流量计、涡街流量计、继电器、 步进电机、微处理器等。温度传感器的输出端接热电偶输入模块的输入端，热电偶输入模块的输出端接工业控制计算机的输入端，压力传感器的输出端接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端接工业控制计算机的输入端，工业控制计算机的输出端接继电器的输入端，继电器的输出端接步进电机的输入端，工业控制计算机与微处理器双向连接，微处理器的输出端分别空气阀、高压油瓶、油泵和点火器的输入端连接，丙烷流量计、煤油流量计和涡街流量计的输出端接微处理器的输入端。优选地，数据采集处理器选用工业控制计算机IPC-6107610。优选地，微处理器选用C8051F040单片机。
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本发明具有以下优点
(1)设计中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法。这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。(2)步进电机安装在出口测量端侧面，通过皮带轮带动旋转鼓筒转动，方便测量出口截面的总温度和总压力。(3)温度信号与压力信号分别采用热电偶输入模块和数据采集卡采集，提高了数据采集速率和抗干扰性。(4)通过微处理器控制空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器，控制准确，方便扩展。(5)所有的操作均可以在工业控制计算机上的人机交互界面上实现，操作简便。
图1微型发动机微燃烧室试验台数据采集系统示意图； 图2微型发动机微燃烧室试验台测控系统原理图3旋转轮鼓与步进电机之间的位置关系图； 图4系统控制流程图。图3中标号名称1.旋转轮鼓2.皮带轮 3.步进电机。
具体实施例方式本发明所采用的技术方案是利用热电偶输入模块和数据采集卡采集温度传感器和压力传感器在燃烧室出口截面某一位置处的信号，通过工业控制计算机控制继电器发出旋转指令，控制步进电机每次旋转3°C，共转120°C来测量燃烧室出口截面的总温度与总压力；同时通过工业控制计算机上的人机交互界面可以方便地与微处理器进行串行通讯，从而实现微型发动机燃烧室试验中对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器的百分比控制， 分别采用涡街流量计，丙烷流量计和煤油流量计对空气流量、丙烷流量和煤油流量进行测量，将测量值输出到人机交互界面上，实现对空气流量、丙烷流量、燃油流量的精确控制，微型发动机微燃烧室试验台测控系统原理图如图1、2所示。主要包括以下功能启动进出口数据采集，即可自动完成燃烧室出口截面总温度与总压力的信号采集；通过在工业控制计算机上人机交互界面进行设置，可以实现对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器的精确控制；
通过热电偶输入模块采集燃烧室出口某一位置的温度信号，温度传感器采用热电偶， 热电偶采用热电效应进行温度测量。热电偶装配简单，更换方便，温度测量范围大(一 200°C 1300°C，特殊情况下一 270°C 2800°C )，适合燃烧室出口温度的测量。热电偶选用北京精诚航科技开发有限责任公司生产的W-Re热电偶，W-Re热电偶的主要特点是热电极丝熔点高(3300°C )，蒸气压低，极易氧化，在非氧化性气氛中化学稳定性好，电动势大，灵敏度高，且价格便宜。热电偶输入模块采用研华公司生产的ADAM-4118。ADAM-4118为坚固型8路热电偶输入模块，具有8路可独立配置的差分通道；宽温运行；高抗噪性lkV浪涌保护电压输入，3kV EFT及8kV ESD保护；抗干扰性强电源输入端IkV浪涌保护，3kV EFT及 8kV ESD保护；增加LED地址指示功能，方便现场快速应用。压力测量采用型号为PTH701的超高温压力传感器，压力信号由研华公司生产的型号为IPC-1763UP 1130的数据采集卡进行采集。一个位置的数据采集完毕后，工业控制计算机自动向时间延迟继电器发出旋转指令，控制旋转轮鼓每次旋转3V，共旋转120°C完成燃烧室出口截面总压力和总温度的测量。步进电机安装在燃烧室出口旋转轮鼓的侧面，通过带传动驱动旋转轮鼓转动，旋转轮鼓与步进电机之间的位置关系如图3所示。步进电机将电脉冲信号转变为角位移或线位移， 在非超载的情况下，电机的转速和停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，可以通过控制脉冲数个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。步进电机选用深圳精博机电公司生产的型号为J31112的步进电机。工业控制计算机与微处理之间进行串行通讯，利用微处理器大量的外设资源来实现对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器的精确控制。微处理器选用低功耗、高性能、 CMOS八位微处理器C8051F040，片内有64K字节的可擦写存储器，4352B的片内RAM，8组I/O 口，以流水线处理指令。通过控空气阀、高压气瓶、油泵和点火器的开关来实现对空气流量、 丙烷流量、燃油流量和点火器的控制。空气阀、高压气瓶和油泵的开关可以通过微处理器控制其打开的百分比，通过涡街流量计、丙烷流量计和煤油流量计对空气流量、丙烷流量和燃油流量进行测量输出到人机交互界面上，调节开关大小来实现对相关流量的精确控制。空气流量的测量选用北京菲格瑞思仪表有限公司生产的涡街流量计，涡街流量计根据卡门涡街理论，利用了流体的自然振动原理，以压电晶体或差动电容检测旋涡分离频率来测量流量。主要特点是压力损失小，量程范围大，精度高，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，无可动机械零件，因此可靠性高，维护量小。丙烷流量的测量选用上海皖科电子科技有限公司生产的VK-LUGB系列丙烷气体流量计，该流量计是利用液体振动原理而开发的一种新型流量计。该流量计无可动部件，可靠性强、精度高、寿命长，可在很宽范围内精确测量液体的瞬时流量和累计流量，可输出脉冲信号或电流信号，便于与微处理器进行通讯。煤油的测量选用淮安市红旗仪表有限公司生产的HQ-LC型椭圆齿轮流量计，椭圆齿轮流量计是一种容积型测量仪表，具有量程范围大、优异的准确度、压力损失小、粘度适应性强、能测量高温高粘液体、标定方便、安装简易等优点；椭圆齿轮流量计可现场指示累积流量、瞬时流量，单次流量等，亦可输出脉冲信号、4-20mA或1-5V模拟信号、4-20mA+HART、MODBUS、支持232，485通讯等，适合与微处理器进行通讯。设计了控制系统的原理图，进行了硬件电路的加工以及元器件的焊接、进行了控制的系统的软件设计，通过对系统的需求分析，设计了各个功能模块分别进行调试，调试完成后进行整个系统的软件设计，最后软、硬件进行了联机调试。调试完成后，进行了相关的试验，试验结果表明系统稳定可能，达到了预期的性能指标。该装置的控制功能通过步进电机转动旋转轮鼓，实现对燃烧室出口截面总温度和总压力的测量。同时利用微处理器来对空气流量、丙烷流量、燃油流量和点火器进行精确控制。如图4所示，开机后，首先进行系统初始化，判断是否需要进行数据采集，如果需要进行数据采集，则通过数据采集模块采集温度和压力信号，当前位置的
数据采集完成后，对时间延迟继电器发出旋转指令，控制步进电机旋转3°，进行下一个位置的数据采集工作，步进电机共旋转120°，即可实现对出口截面总压力和总温度的数据采集。当数据采集完成后，步进电机反向旋转120°，使步进电机复位。该装置在南京航空航天大学相关试验中进行了使用，表明系统能够长期稳定的运行。
权利要求
1.一种微型发动机燃烧室试验台自动测控装置，其特征在于包括工业控制计算机、数据采集卡、热电偶输入模块、温度传感器、压力传感器、煤油流量计、丙烷流流量计、涡街流量计、继电器、步进电机、微处理器；温度传感器的输出端接热电偶输入模块的输入端，热电偶输入模块的输出端接工业控制计算机的输入端，压力传感器的输出端接数据采集卡的输入端，数据采集卡的输出端接工业控制计算机的输入端，工业控制计算机的输出端接继电器的输入端，继电器的输出端接步进电机的输入端，工业控制计算机与微处理器双向连接， 微处理器的输出端分别与空气阀、高压油瓶、油泵和点火器的输入端连接，丙烷流量计、煤油流量计和涡街流量计的输出端分别接微处理器的输入端。
2.根据权利要求1所述的微型发动机燃烧室试验台自动测控装置，其特征在于所述的热电偶输入模块采用型号为ADAM-4118的芯片。
3.根据权利要求1所述的微型发动机燃烧室试验台自动测控装置，其特征在于所述的微处理器选用C8051F040单片机。
全文摘要
本发明公布了一种微型发动机燃烧室试验台自动测控装置，包括工业控制计算机、数据采集卡、热电偶输入模块、温度传感器、压力传感器、煤油流量计、丙烷流流量计、涡街流量计、继电器、步进电机和微处理器。本发明设计中无论是硬件还是软件系统中都采用模块化的设计方法。这使得系统扩展起来比较方便，系统可移植性高，增加了系统的灵活性和可靠性，具有广泛的适应性。
文档编号G01M15/05GK102175459SQ20111003108
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月28日 优先权日2011年1月28日
发明者何小明, 张延召, 毛建国, 雷雨冰, 顾筠, 黄国平 申请人:南京航空航天大学