СТАНЦИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1996 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к испытательной технике машиностроения, в частности к автоматизированным установкам для испытания двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Установки осуществляют измерение его нагрузочных и скоростных характеристик, определение его параметров (мощности, расхода топлива и т. д.) и приведение экспериментальных данных к стандартным условиям путем введения поправок на температуру топлива, масла атмосферные условия и т. п.

Для этого современные установки содержат электроуправляемые исполнительные механизмы, измерительные датчики параметров режима работы ДВС (частоты вращения коленчатого вала, момента нагрузки на нем, температуры и давления газов, температуры топлива, охлаждающей жидкости и масла, параметров атмосферного воздуха и т. п.), а также систему автоматического управления, снабженную компьютером, блоком накопителей, терминалами, многоканальным блоком измерения параметров и блоком формирования управляющих воздействий для исполнительных устройств. Компьютер системы управления предназначен как для ввода исходной многостадийной программы испытаний, так и для регистрации возвратных данных с помощью терминалов и накопителей.

В различных модеpнизациях установок для испытания ДВС прослеживается устойчивая тенденция придания блоку измерения параметров дополнительных функций предобработки и анализа данных с целью повышения надежности установки путем ускорения реакции цепей автоматики на критерии тревожной ситуации в работе двигателя.

Известна обладающая подобной совокупностью признаков установка для испытания ДВС, стенды которой содержат измерительные датчики параметров режима работы двигателя, исполнительные механизмы, блоки формирования управляющих воздействий для них и систему управления, снабженную компьютером, накопителями и терминалами, стендовым блоком управления, а также блоком предварительной обработки информации от датчиков и внутрисистемными средствами обмена информацией [1]
Известна также более совершенная система для испытания ДВС, содержащая измерительные датчики параметров режима работы двигателя, исполнительные механизмы, а также подключенную через канал интерфейса систему управления, имеющую многоканальный блок измерения и анализа параметров с информационными входами и портом ввода-вывода цифровой информации, компьютер, снабженный портом приема измерительной информации, портом сопряжения через локальную сеть обмена с центральной ЭВМ и портами периферийного обмена, к которым подключены блоки накопителей и терминалы, блок формирования управляющих воздействий с портом ввода и выходом, подключенным к входу устройства блокировки, пульт управления и индикации с портом ввода-вывода информации, блокировочным входом и исполнительным выходом, устройство блокировки, снабженное портом ввода, группой выходов по числу исполнительных механизмов, причем порт ввода блока формирования управляющих воздействий и порт ввода-вывода пульта управления связаны с блоком измерения и анализа параметров через канал интерфейса, а входы исполнительных механизмов подключены к соответствующим группам выходов устройства блокировки [2]
Эта система обладает повышенной надежностью и ускоренной исполнительной реакцией на предварительные и аварийные ситуации в работе ДВС, как и другие подобные установки, например, типа [1] она оpиентирована на определенные виды испытаний, обычно на контрольные и приемочные и на определенный круг типов испытываемых двигателей, например, по мощности. Это обусловлено следующим.

Подавляющее большинство измерительных датчиков в испытательных установках является приборами аналогового типа и преобразует физические параметры (усилия, температуру, давление и т. д.) в электрические эквиваленты (напряжение, ток, сопротивление). Однако измерительные каналы в известных установках не содержат средства адаптации к уровню измеряемой аналоговой величины и во всем диапазоне ее изменения характеризуются одинаковой разрешающей способностью. Таким образом, допустимые нормы относительных погрешностей измерения параметров работы ДВС достигаются только в верхней половине диапазона измеряемых величин, а известные испытательные установки являются грубыми по чувствительности к малым изменениям аналоговых величин. Дополнительно это усугубляется еще двумя факторами.

Во-первых, измерительные датчики в установках испытания ДВС функционируют в индустриальных условиях с сильными электропомехами, недопустимо искажающими сигналы малого уровня. Во-вторых, компьютерные средства обработки и управления не вносят специфических собственных погрешностей округления результатов расчета только в том случае, когда разрешающая способность измерения аналоговой величины меньше соответствующего эквивалента погрешности округления.

Изложенная здесь совокупность причин ограничивает функциональные возможности известных установок для испытания ДВС, например, не позволяет с желаемой достоверностью и детальностью проводить типовые испытания на чувствительность к конструктивным усовершенствованиям в узлах двигателя, сравнительные испытания, измерения удельных и индикаторных характеристик, испытания двигателей малой мощности, изучение динамики выработки ресурсов ДВС и т. п.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей станций испытания ДВС путем увеличения разрешающей способности измерения параметров работы двигателя.

В основу изобретения положена задача адаптации разрешающей способности измерительных каналов испытательной станции к уровню измеряемого параметра в условиях промышленных электропомех.

Поставленная задача технически решается тем, что в станции для испытания ДВС, содержащей измерительные датчики параметров pежима работы двигателя, исполнительные механизмы, а также объединенную через канал интерфейса систему управления, имеющую многоканальный блок измерения и анализа параметров с информационными входами, управляющим выходом и портом ввода-вывода цифровой информации, компьютер, снабженный портом приема измерительной информации и портами периферийного обмена, к которым подключены блоки накопителей и терминалы, блок формирования управляющих воздействий с портом ввода, пульт управления и индикации с портом ввода-вывода информации, блокировочным входом и исполнительным выходом, устройство блокировки, снабженное портом ввода, причем порт ввода блока формирования управляющих воздействий и порт ввода-вывода пульта управления связаны с блоком измерения и анализа параметров через канал интерфейса, исполнительные механизмы выполнены в виде исполнительных механизмов непрерывного и дискретного действия, а она содержит преобразователи крутизны, каждый из которых имеет аналоговых вход, аналоговый выход и регистровый порт записи, многоканальный цифровой фильтр-процессор с портом ввода-вывода и портом приема исходных данных, адаптер связи с первым и вторым портами ввода-вывода и арбитражным каналом, снабженный портом считывания шифратор состояния исполнительных механизмов дискретного действия, которые снабжены двоичными индикаторами их срабатывания, устройство блокировки имеет группу выходов по числу исполнительных механизмов дискретного действия и сигнализатор передачи управления, а блок формирования управляющих воздействий группу выходов по числу исполнительных механизмов непрерывного действия, причем выходы измерительных датчиков подключены к соответствующим аналоговым входам преобразователей крутизны, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами блока измерения и анализа, порт ввода-вывода которого связан через канал интерфейса с портом ввода-вывода цифрового фильтр-процессора, портом считывания шифратора, портом ввода устройства блокировки и первым портом ввода-вывода адаптера, связанного арбитражным каналом с цифровым фильтром-процессором, а вторым портом ввода-вывода с портом приема измерительной информации компьютера, при этом входы шифратора подключены к соответствующим двоичным индикаторам исполнительных механизмов дискретного действия, сигнализатор передачи управления устройства блокировки подключен к блокировочному входу пульта управления, исполнительный выход которого подключен к порту приема исходных данных цифрового фильтра-процессора и регистровые порты группы преобразователей крутизны подключены к управляющему выходу блока измерения и анализа информации, а входы исполнительных механизмов непрерывного действия и механизмов дискретного действия подключены к соответствующим группам выходов блока формирования управляющих воздействий и устройства блокировки. Под исполнительными механизмами непрерывного действия понимают их реализации в виде электромагнитных муфт и тормозов, устройств дросселирования и т. п. а под исполнительными механизмами дискретного действия реализацию электромагнитных клапанов, заслонок и т. п. Введение группы преобразователей крутизны для связи датчиков с многоканальным блоком измерения и анализа параметров позволяет автоматически проводить аналоговые сигналы в верхней половине измерительной шкалы, и поканальное избирательное управление их крутизной преобразования (усилением) в условиях промышленных помех осуществляется на основе цифровой фильтрации измерительной информации в каждом канале при наличии исходных количественных данных (уставок) с пульта управления и в зависимости от программы испытаний, задаваемой посредством компьютера через адаптер связи. Это является принципиальной основой пути достижения полезного эффекта.

На фиг. 1 изображена структурная схема станции для испытания ДВС; на фиг. 2 помехоустойчивый вариант выполнения преобразователя крутизны; на фиг. 3 пример структурной организации цифрового фильтра процессора.

Станция подключается к двигателю 1 через измерительные датчики 2 и исполнительные механизмы непрерывного и дискретного действия (3 и 4 соответственно), она также содержит объединенную через канал 5 внутрисистемного интерфейса систему управления, имеющую многоканальный блок 6 измерения и анализа параметров с информационными входами 6-1, управляющим выходом 6-3 и портом 6-2 ввода-вывода цифровой информации, компьютер 7, снабженный портом 7-1 приема измерительной информации и портами 7-2 и 7-3, к которым подключены блоки накопителей 8 и терминалы 9, блок 10 формирования управляющих воздействий с портом 10-1 ввода и группой 10-2 выходов по числу исполнительных механизмов непрерывного действия, пульт 11 управления и индикации с портом 11-1 ввода-вывода информации, блокировочным входом 11-2 и исполнительным выходом 11-3, устройство 12 блокировки, снабженное портом 12-1 ввода, группой выходов 12-2 по числу исполнительных механизмов дискретного действия и сигнализатором 12-3 передачи управления, группу 13 преобразователей крутизны, каждый из которых имеет аналоговый вход 13-1, аналоговый выход 13-2 и регистровый порт 13-3 записи, многоканальный цифровой фильтр-процессор 14 с портом 14-1 ввода-вывода и портом 14-2 приема исходных данных, адаптер 15 связи с первым 15-1 и 15-2 портами ввода-вывода и арбитражным каналом 16, шифратор 17 состояния исполнительных механизмов дискретного действия, снабженный логическим входом 17-1 и портом 17-2 считывания. Исполнительное устройство 4 дискретного действия имеет сигнальные выходы 4-1 и двоичные индикаторы 4-2 их срабатывания (концевые выключатели, контакторы и т. п.). Выполнение канала 5 внутрисистемного интеpфейса с параллельной передачей данных может быть осуществлено на базе БИС типа КР580 и структурно известно [3]
Выполнение адаптера 15 связи и арбитражного канала 16 в виде узла управления передачей информации технически может быть многовариантным и известно [4] например, на основе БИС типа К1801ВП1-054. Шифратор 17 может быть выполнен по известным схемам преобразования кодов с регистровым выходом.

Каждый преобразователь крутизны в группе 13 содержит регистровый порт 13-3 записи кода крутизны (коэффициента усиления) и номера преобразователя, дешифратор 18 этого кода, два операционных усилителя 19 и 20, группу из n симметричных резисторных четырехполюсников 21-1 21-n и два однонаправленных коммутатора 22 и 23, каждый из которых имеет n двухпозиционных ключей. Преобразователь имеет симметричный аналоговый вход 13-1, в качестве которого используются неинвертирующие входы усилителей 19 и 20, а также симметричный аналоговый выход 13-2, в качестве которого используются выходы усилителей 19 и 20, в качестве которых целесообразно применить микросхемы типа К14ОУД17 с малым напряжением смещения нуля. Управление соответствующими парами ключей в коммутаторах 22 и 23 осуществляется с выходов дешифратора 18, входы которого подключены к выходам регистрового порта 13-3. Крутизна преобразования (усиление) сигнала с выхода 13-1 на выход 13-2 обратно пропорциональна коэффициенту передачи того четырехполюсника из группы 21, который подключен к инвертирующим входам усилителей 19 и 20 соответствующей парой ключей коммутаторов 22 и 23.

Цифровой фильтр-процессор 14, пример реализации которого представлен на фиг. 3, содержит регистровый порт 14-1 ввода-вывода с мультиплексором 24 поддержки, регистровый порт 14-2 приема исходных данных шину 25 данных, через которую связаны между собой оперативное запоминающее устройство 26, постоянное запоминающее устройство 27, котроллер 28 таймера, контроллер 29 прерываний, модуль 30 предобработки данных, регистровый порт 31 арбитражного канала 16 и устройство 32 адресации. Модуль 30 обработки данных целесообразно выполнить на БИС типа 1810ВМ86, контроллер 29 прерываний на БИС типа 1810ВН59, контроллер 28 таймера на БИС типа 580ВИ53, оперативное запоминающее устройство 26 на микросхемах типа 537РУ10, а постоянное запоминающее устройство 27 на микросхемах типа 556РУ7. Используемые в станции цифровые мультиплексоры, например 24, можно выполнить на микросхемах типа 1533КП11, а регистровые порты на микросхемах типа 1533ИР33. Блок 6 измерения и анализа информации, снабженный выходом 6-3 с внутреннего устройства управления, выполнен на основе двухступенчатого 64-канального аналогового мультиплексора с использованием микросхем типа 564КТЗ и кодирующего преобразователя с использованием микросхемы типа 1108ПВ1, а также снабжен логикой предварительного допускового контроля [2] Для технической реализации достаточно использовать известные типовые схемы включения упомянутых изделий микроэлектроники.

В качестве компьютера 7 можно применить персональную ЭВМ, например, типа "Искра-1030 или РС/ХТ/АТ с соответствующими штатными накопителями и терминалами (8, 9). Задачей, возлагаемой на компьютер 7, является ввод в систему управления многостадийной программы испытаний и прогнозируемых значений крутизны преобразователей 13, текущие расчеты характеристик ДВС в ходе испытаний, оценка точности и испытательной ситуации с целью коррекции на резидентном уровне, которая выполняется фильтром-процессором 14. Задачей последнего является поддержание рабочих нагрузок на двигатель и совместно с блоком 6 оперативная оценка предаварийной и аварийной ситуации в контуре управления, обмен данными с компьютером 7 с использованием адаптера 15 и арбитражного канала 16.

Станция (см. фиг. 1) для иcпытаний ДВС работает следующим образом.

С помощью пульта 11 управления и индикации оператор вводит через порт 14-2 в фильтр-процессор 14 исходные данные для начала приработочной обкатки ДВС. По этим данным фильтр-процессор 14 через устройство 12 блокировки при контроле шифратором 17 деблокирует исполнительные механизмы 4 дискретного действия, вводит управляющие воздействия через блоки 10 и 3 и осуществляет пробный запуск двигателя. Одновременно фильтр-процессор 14 через канал 5 осуществляет установку исходных значений крутизны в преобразователях группы 13. Измерительные данные от датчиков 2 мультиплексируются, оцифровываются блоком 6, отфильтровываются узлом 14 и выдаются на оперативную индикацию обратно на пульт 11. В случае нормального функционирования ДВС и испытательной станции оператор передает управление компьютеру 7, который через адаптер 15 связи по приоритетному требованию через арбитражный канал 16 и контроллер 29 прерывает дисциплину обмена, реализуемую модулем 30 через канал 25, и подготавливает цифровой фильтр-процессор к приему цифрового массива программы первой стадии испытаний и массы априорных данных об установках крутизны преобразования и допусковых уровнях параметров. Загрузка этих массивов ведется через адаптер 15 и порт 14-1 с мультиплексором 24 в оперативное запоминающее устройство 26 под управлением программы постоянного запоминающего устройства 27. По окончании ввода компьютер 7 через адаптер 15 и канал 16 передает управление фильтру-процессору 14, который через канал 5 приводит уровни исполнительных воздействий в соответствующие этапам испытаний рабочие режимы и устанавливает код крутизны (усиления) в каждом из преобразователей фиг. 2 группы 13. В процессе испытаний фильтр-процессор 14 работает в режиме разделения времени, определяемом с использованием контроллера 28 таймера, и осуществляет цифровую фильтрацию данных в каждом из 64 каналов по 66 оцифрованным отсчетам из блока 6. По мере готовности данных модуль 30 предобработки через регистровый порт 31, канал 26 и адаптер 15 обращается к компьютеру 7 и транспортирует ему эти данные через порт 15-2. Анализ информации компьютером 7 позволяет ему либо подтвердить через адаптер 15 и канал 16 разрешение на продолжение испытаний, либо, если точность получаемой информации недостаточна, скорректировать разрешающую способность соответствующего измерительного канала путем изменения крутизны преобразования (усиления) в схеме типа фиг. 2, характеризующей составные части группы 13. При нормальном функционировании двигателя подобный процесс поддерживается на всех стадиях программы испытаний.

В случае тревожной ситуации в работе ДВС, определяемой фильтром-процессором 14 и блоком 6 по результатам допускного контроля какого-либо параметра (или по мажоритарному критерию), через блок 10 снимается нагружение двигателя, через устройство 12 блокировки и исполнительные механизмы 4 дискретного действия производится его заглушение (выключение), что возвратно контролируется через шифратор 17, а через блокировочный вход 11-2 производится передача управления пульту 11 с соответствующей индикацией на его видеосредствах и через порт 14-2 осуществляется остановка по тревожным командам всей испытательной станции с уведомлением в компьютер 7. Дальнейшее деблокирование станции может начаться только через пульт 11 или компьютер по специальным процедурам нештатных ситуаций.

Полезный эффект при работе станции достигается следующим образом.

За счет введения в станцию группы 13 преобразователей крутизны, например, типа фиг. 2 и цифрового фильтра-процессора, например, типа фиг. 3 достигается управление разрешающей способностью каждого измерительного канала и соответствующее увеличение динамического диапазона измерительного тракта станции. Например, при использовании 10-разрядного аналого-цифрового преобразователя типа 1108ПВ1 и преобразователей крутизны с диапазоном перекрытия в 2000 раз (n=4) достигается динамический диапазон измерительного тракта в 126 дБ при разрешающей способности не хуже 5 мкВ/бит, что позволяет гарантировать погрешность преобразования даже в младшем диапазоне напряжений от измерительных датчиков с пределом ± 5 мВ не хуже 0,2% Симметричное выполнение аналоговых цепей 13-1 и 13-2 ввода и вывода сигналов делает их помехоустойчивыми к электропомехам на малом уровне сигнала и позволяет выполнить фильтрацию по 16-разрядным цифровым данным. Комплекс технических решений в структурном построении и в конкретном воплощении электроники станции эффективно использует 16-разрядное представление данных в компьютере 7 и обеспечивает высокую точность определения характеристик ДВС.

В итоге функциональные возможности станции для испытания ДВС существенно расширяются. Она становится универсальным техническим средством как по видам проводимых с ее помощью исследований, так и по разнообразию двигателей и других силовых установок, использующих энергию от сжигания топлива как объектов испытания. Наличие компьютера 7 допускает возможность его подключения в соответствующую локальную сеть при организации агрегатирования станций в испытательных системах более высокого уровня.

Использование: в качестве атоматизированной установки для испытания двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Сущность изобретения: станция содержит преобразователи 13 крутизны, многоканальный цифровой фильтр-процессор 14, адаптер 15 связи, шифратор 17 состояния исполнительных механизмов дискретного действия, связанных с каналом 5 интерфейса, исполнительные механизмы выполнены в виде исполнительных механизмов непрерывного действия и исполнительных механизмов дискретного действия, соответственно связанных с блоком 10 формирования воздействий и устройством блокировки 12. 3 ил.

СТАНЦИЯ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащая измерительные датчики параметров режима работы двигателя, исполнительные механизмы, а также объединенную через канал внутрисистемного интерфейса систему управления, имеющую многоканальный блок измерения и анализа параметров с информационными входами, управляющим выходом и портом ввода-вывода цифровой информации, компьютер, снабженный портом приема измерительной информации и портами периферийного обмена, к которым подключены блоки накопителей и терминалы, блок формирования управляющих воздействий с портом ввода, пульт управления и индикации с портом ввода-вывода информации, блокировочным входом и исполнительным выходом, устройство блокировки, снабженное портом ввода, причем порт ввода блока формирования управляющих воздействий и порт ввода-вывода пульта управления связаны с блоком измерения и анализа параметров через канал интерфейса, отличающаяся тем, что исполнительные механизмы выполнены в виде исполнительных механизмов непрерывного и дискретного дествия и она содержит преобразователи крутизны, каждый из которых имеет аналоговые вход и выход и регистровый порт записи, многоканальный цифровой фильтр-процессор с портом ввода-вывода и портом приема исходных данных, адаптер связи с первым и вторым портами ввода-вывода и арбитражным каналом, снабженный портом считывания шифратор состояния исполнительных механизмов дискретного действия, которые снабжены двоичными индикаторами их срабатывания, а устройство блокировки имеет группу выходов по числу исполнительных механизмов дискретного действия и сигнализатор передачи управления, а блок формирования управляющих воздействий - группу выходов по числу исполнительных механизмов непрерывного действия, причем выходы измерительных датчиков подключены к соответствующим аналоговым входам преобразователей крутизны, выходы которых соединены с соответствующими информационными входами блока измерения и анализа, порт ввода-вывода которого связан через канал интерфейса с портом ввода-вывода цифрового фильтра-процессора, портом считывания шифратора, портом ввода устройства блокировки и первым портом ввода-вывода адаптера, связанного арбитражным каналом с цифровым фильтром-процессором, а вторым портом ввода-вывода - с портом приема измерительной информации компьютера, при этом входы шифратора подключены к соответствующим двоичным индикаторам исполнительных механизмов дискретного действия, сигнализатор передачи управления устройства блокировки подключен к блокировочному входу пульта управления, исполнительный выход которого подключен к порту приема исходных данных цифрового фильтра-процессора, регистровые порты группы преобразователей крутизны подключены к управляющему выходу блока измерения и анализа информации, а входы исполнительных механизмов непрерывного действия и механизмов дискретного действия - к соответствующим группам выходов блока формирования управляющих воздействий и устройства блокировки.