基于LabVIEW 的轴功率测量系统软件的设计

SHIP ENGINEERING 船舶工程V ol.32 Supplement2 2010 总第32卷，2010年增刊2 基于LabVIEW的轴功率测量系统软件的设计俞 汲，胡 琼，徐 杰（中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011）摘 要：为了实现船用柴油机轴功率的动态测量，利用LabVIEW设计了轴功率测量系统的软件，描述了轴功率测量的基本原理及硬件组成.测量软件通过对船舶推进轴系的扭矩和转速的实时采集和分析处理，实时计算轴功率，并且能够实时显示和存储扭矩、转速和轴功率，通过数据回放能够选择指定时间段内的测量数据生成测量报告.最后，通过实船测量，验证了测量软件的准确性、可靠性和实用性.关键词：轴功率测量；数据采集；LabVIEW中图分类号：U664.121 文献标志码：A 文章编号：1000-6982 (2010) S2-0061-04Design of Shaft Power Measurement System Softwarebased on LabVIEWYU Ji, HU Qiong, XU Jie(China Ship Scientific Research Center, Wuxi 214082, China)Abstract: The software of shaft power measurement system is developed based on LabVIEW to implement dynamic measurement of marine diesel engine, basic principle and hardware composing of shaft power measurement is described. The measurement software can calculate shaft power real time by acquiring and analyzing torque and rotate speed of ship propulsion shafting, and can not only display and save torque, rotate speed and shaft power, but also form into a measurement report by choosing measurement data within appointed time interval. Finally, the accuracy, reliability and workability of the software are verified by real ship measurement.Key words: shaft power measurement; data acquisition; LabVIEW0 引言轴功率是船用柴油机及其动力装置最重要的性能参数之一，可通过间接测量轴系的输出扭矩和转速得到.在新船出厂或维修后交付船东时，要对船舶进行实船测试，而轴功率是实船测试中主要的测量参数，也是监测船舶柴油机及其动力装置工作状态的主要参数.本文利用虚拟仪器开发平台LabVIEW设计了轴功率测量系统的软件，通过对船舶推进轴系的扭矩、转速的实时采集和分析处理，实现了轴功率的动态测量，不仅能够实时显示和存储扭矩、转速和轴功率，还能够通过数据回放选择指定时间段内的测量数据生成相应的测量报告.1 轴功率测量原理对以轴为输出装置的柴油机来说，轴功率N e 的计算公式如下[1]：()9550e eN M n=×（1）式中，M e为轴的输出扭矩，N·m；n为轴的转速，r/min.因此，只要测出了轴的扭矩和转速，就可以计算出轴功率.轴功率测量系统采用遥测应变技术[2]测量轴系的输出扭矩，采用测频法[3]测量轴的转速，系统结构如图1所示.1.1 扭矩测量原理扭矩测量利用Torque Trak 10K扭矩遥测系统和应变计实现.Torque Trak 10K扭矩遥测系统由发收稿日期：2009-11-27；修回日期：2010-01-01作者简介：俞汲（1968-），男，工程师，主要从事实船性能试验及研究方面的工作.图1 系统结构框图射机和接收机组成，可以在6m 范围内传递测量数据.应变计由两组沿轴线45°和135°的电阻应变片组成，4个电阻应变片以全桥电路连接.对一几何尺寸固定的转轴来说，只要测得了轴表面的剪切应变力，就可以求得轴的扭矩[4].当轴在扭矩作用下发生变形时，两个主应力分别与轴成45°和135°夹角，此时，电阻应变片也产生变形，引起电阻值的变化，4个电阻应变片以全桥电路连接，其阻值的变化可转变为电压的变化，利用固定在轴上的扭矩遥测系统发射机获取该电压信号，放大并转换为载波信号发射，接收机接收到载波信号后调制成电压信号输出.输出的电压信号范围为0~10V ，其大小与被测轴的扭矩成正比，满足如下计算公式[5]：()()4410104160001e FS FS o i EXC GF XMT oV V M M V E d d V k N G d πμ=×=××−+输出输出 （2） 式中，V 输出为扭矩遥测系统接收机调理后的输出电压，V ；M FS 为满量程扭矩，N·m ；V FS 为满量程电压，V ；E 为轴材料的弹性模量，N·mm 2；d i 为轴内径，mm ；d o 为轴外径，mm ；V EX C 为电桥励磁电压，V ；k GF 为应变片灵敏系数；N 为电桥桥臂数；μ为轴材料的泊松比；G XMT 为扭矩遥测系统发射装置的放大倍数. 1.2 转速测量原理转速采用测频法测量，即通过测量正对飞轮安装的磁阻传感器在规定的时间内所产生的脉冲信号个数来确定转速.磁阻传感器正对飞轮安装，轴转动时，飞轮每转过一个轮齿，磁阻传感器就输出一个脉冲，计数器进行计数，这样，轴的转速可根据下式计算[6].60n N Mt = （3） 式中，n 为被测轴的转速，r/min ；t 为计数时间，s ；N 为时间t 内计数器测定的脉冲数；M 为飞轮轮齿数.2 轴功率测量软件的设计轴功率测量软件采用虚拟仪器开发平台LabVIEW 设计，包括参数设置、实时采集和数据回放处理三个子程序.为了便于操作，利用多面板调用的方式设计了操作主界面，界面直观简洁，能够方便快捷地调用各个子程序. 2.1 操作主界面主界面被设计为多面板程序，如图2所示.界面前3个按钮分别对应3个子程序，用户单击其中任何一个按钮就会弹出相应的子程序面板，子程序弹出后，主程序与子程序相互独立运行，QUIT 按钮的作用是退出系统.图2 操作主界面示意图程序功能运用事件结构实现[7]，该事件结构的触发条件来自于用户单击界面上4个按钮中的任何一个按钮.以用户单击按钮“Parameters Setting ”为例，首先通过Current VI’s Path 、Strip Path 和Build Path 函数得到该按钮对应子VI （参数设置子程序）的路径，然后通过Open VI Reference 函数获得对该子VI 的引用，再利用Property Node 将子VI 的FP.Open 属性设置为True ，利用Invoke Node 调用Run VI 方法运行该子VI ，最后通过Close Reference 函数关闭对VI 的引用. 2.2 参数设置在参数设置子程序中，可以对扭矩计算及转速计算中涉及到的参数进行设置.为了方便在其他子程序中调用各项参数，建立全局变量“parameters.vi ”进行参数的存储与传递，同时，只有在参数设置子程序中才能对该全局变量中的各项参数进行修改，其他子程序只能读取其中的各项参数值.程序功能按如下方法实现：利用SubPanel 控件和VI 的make current value default 功能来保留全局变量中设置的数据，由于使用该功能时程序必须处于编辑状态下，因此，获得全局变量“parameters.vi”的路径后，使用SubPanel控件在运行的参数设置子程序中嵌入该全局变量，再利用Property Node设定全局变量的Edit Mode值为True，即将其设定为编辑状态，然后利用Invoke Node调用make current value default功能保存全局变量中设置的数据.2.3 实时采集实时采集子程序在采集扭矩遥测系统输出电压和转速脉冲的同时，实时计算、显示和存储扭矩、转速和轴功率.扭矩遥测系统输出电压实时采集的程序框图如图3所示，采用连续采样模式，采样率可根据需要自行设定.转速脉冲实时采集程序框图如图4所示，利用计数器进行边沿计数（下降沿），根据规定时间内测得的脉冲信号个数来确定转速.需要特别指出的是，为了获得两次累计转速脉冲之间的时间差，即式（3）中的计数时间t，对DAQmx Read (Counter U32 1Chan 1Samp)函数进行了必要的修改.扭矩、转速和轴功率的存储利用LabVIEW Data Connectivity 工具包提供的函数和Access数据库完成.图3 扭矩遥测系统输出电压实时采集的程序框图图4 转速脉冲实时采集的程序框图2.4 数据回放处理数据回放处理子程序能选择指定时间段内的测量数据，并根据拉依达准则剔除该时间段内扭矩、转速及轴功率测量结果中的异常值，然后分别计算三者的平均值作为测量结果并利用LabVIEW Report Generation工具包提供的函数自动生成Word 格式的测量报告，程序流程图如图5所示.在正态分布的等精度重复测量中，设样本平均值为x，标准差为S n*，对某一测量值x i，当|x i-x|≥3S n*时，认为测量值x i是含有粗大误差的异常值，应该剔除，这就是拉依达准则[8].需要注意的是，每剔除一个异常值，应重新计算剩余数据的平均值和标准差，再从第一个数据重新开始进行检验，如此反复进行，直到剔除全部异常值为止.3 测量实例应用本文研制的轴功率测量软件，在某船厂57000DWT散货船试航时对主机轴功率进行了测量.主机型号为MAN B&W 6S50MC-C，额定功率9480kW，额定转速127r/min，中间轴直径420mm.按照试航大纲要求，测量主机负载在50%, 75%, 90%和100%四种工况下的轴功率，每一工况往返航行各测量一次，测量结果如表1所示.图5 数据回放处理程序流程图表1 57000DWT 散货船轴功率测量结果 主机负载 航向 扭矩/N·m -1 转速/r·min -1 轴功率/kW50%往 390340.9 101.14132.3 返 399999.9 100.7 4217.8 平均 395170.4100.94175.1 75%往 533278.6 115.5 6449.6 返 526878.9 115.5 6372.2 平均 530078.7115.56410.9 90%往 601456.1 123.1 7752.8 返 618807.5 123.4 7995.9 平均 610131.8123.37874.4 100%往 641352.8 127.1 8535.7 返 656205.3 127.0 8726.5 平均 648779.0127.18631.14 结论船舶柴油机轴功率的测量是实船测试的一项重要环节，而轴功率测量软件是轴功率测量系统的重要组成部分.本文设计的轴功率测量软件针对扭矩和转速计算输入参数较多的问题，设计了参数设置子程序集中对输入参数进行设置；在实时采集数据的同时，根据测量数据换算出扭矩和转速并计算瞬时轴功率，同时将扭矩、转速和轴功率保存在ACCESS 数据库中，便于进一步的调用和分析；数据回放处理子程序不仅能够选择指定时间段的测量数据进行回放，还能对测量数据进行统计分析，剔除测量异常值，计算该时间段内扭矩、转速和轴功率的平均值作为测量结果并自动生成Word 格式的测量报告.测量软件功能完善，界面友好，用户操作简单直观，通过实船测量，也验证了测量软件的准确性、可靠性和实用性.参考文献：[1] 商圣义. 民用船舶动力装置[M]. 北京: 人民交通出版社, 1995.[2] 余永华, 朱继军, 杨建国. 船舶轴系轴功率测试仪的研制[J]. 中国修船, 2006, 19(6): 8-10.[3] 于炳亮. 电机转速测量方法研究[J]. 山东科学, 2005,18(5): 41-42.[4] 耿皓, 李建华. 应力应变电测技术中影响测量误差的主要因素分析[J]. 物流科技, 2005, 28(117): 98-100.[5] 周刚, 范世东, 钟骏杰. 船舶柴油机轴功率动态测量系统的实现[J]. 船海工程, 2007, 36(1): 56-59. 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