發動機測試儀器經歷了模擬儀器、數字化儀器和智能儀器三個階段。模擬儀器的基本結構是由磁機械式的，采用模擬器件組成各種電路，精度低、速度慢、適應性差；而數字化儀器如數字轉速表等，主要由數字電路來實現，在測試精度、速度和儀器壽命等方面都比模擬儀器有較大的提高。隨著數字信號處理技術及大規模集成電路的發展，出現了以微機為核心的智能儀器，但由于其是以功能模擬的形式存在的，無論開發還是應用，都缺乏靈活性。20世紀80年代后期，微機性能是得到極大提高，而向測試分析的通用軟件開發平臺的成功應用，使得虛擬儀器應運而生。利用虛擬儀器技術，用戶可以自定認義儀器的功能，創建32位編譯程序，從而提高了常規數據采集和測試等任務的運行速度。
W40型電渦流測功器是華南農業大學從德國進口的測功設備。該測試設備的數字化水平較低，控制臺均采用機械式按鈕，且經過近二十年的連續運轉，設備已嚴重老化，出現明顯的零點漂移，部分測試電路板已出現故障，經多次修理仍不正常，嚴重影響了測試工作的正常進行。為此，在確保數據采集的精度和實時性、改善數據處理功能、提高易操作性和整個測試設備數字化水平的原理下，充分利用虛擬儀器的優勢，對原有設備進行了更新和擴充，形成了一個測控系統。

1 系統硬件設計

1．1 系統硬件組成
測試系統的硬件組成主要包括NI公司的PCI-6024E型DAQ卡和SCXI信號調理模塊。SCXI信號調理模塊包括機座模塊SCXI-1000、熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328、應力應變模塊組SCXI-1520和SCXI-1314等。系統結構圖如圖1所示。

測功能即為德國SCHENCK公司的W40型電渦流測功器，可測發動機最大功率40kW。測耗儀是自動設計的，利用電子天平稱量燃油消耗量，通過RS232C（25芯接插件）與PC機連接。可煙度計和空氣流量計均為第三方儀器，通過RS232C（9芯接插件）與PC機連接。
1．2 各組成單元功能及工況點控制 1．2．1 DQA卡
NI公司的PCI-6024E型DAQ卡是基于PCI總線的12位多功能數據采集卡，最高采樣速率為200kS/s，具有16個單端模擬輸入（或8個差分模擬輸入），8個數字輸入/輸出，2個模擬輸出，2個20MHz、24位計數器/定時器。
1.2.2 SCXI信號調理模塊
NI公司的SCXI信號調理模塊為DAQ卡提供一個完善的信號調理系統，有效高的靈活性和配置性能。
機座SCXI-1000是一個結構緊湊、低哭聲的機箱，為調理模塊提供電源、定時和觸發等功能。
熱電偶模塊組SCXI-1125和SCXI-1328提供最高300Vrms的隔離、1～2000的增益、4Hz或10kHz的可編程模擬濾波器、冷端補償等功能，終端還有鋁質溫板防止溫度從接線緊桿傳遞，提高了冷端補償的精度。
應力應變模塊組SCXI-1520和SCXI-1314提供1～1000的增益、10Hz～10kHz的可編程模擬濾波器、0～10V的直流激勵電壓以及自動調零、橋路補償等功能，還可以調理一般的模擬電壓。
1．2．3 測功器和油門控制器
W40型電渦流測功能有四種工作方式：M方式、n方式、n-const方式和M-n2方式。最常用的是M方式和n-const方式，對應調整的對象分別為測功器的扭矩和轉速。當選擇external方式時，控制信號為0～10V。油門控制器由模擬電壓控制的伺服電機構成，控制信號為0～10V。
1．2．4 工光點的控制
系統可根據設定的轉速或扭矩通過DAQ卡輸出控制電壓給控制執行器和油門控制器，再通過測量結果進行反饋，即可實現試驗工況點的控制，完成自定義的測試流程。其中，系統采用PID算法實現測功器的控制。

2 系統軟件設計

2．1 編程思想
發動機試驗需要在開始時通過怠速運轉進行預熱。預熱完畢的標志是冷卻水溫度達到額定值。預熱后，當速度穩定在設定值時，開始運行主程序，進行數據顯示、處理和記錄。運行主程序時，同時還調用煙度計和空氣流量計子程序，進行同步采集、記錄。當水溫超過設定的極限值時，系統輸出數字信號，啟動揚聲器報警并停機。系統程序流程圖如圖2所示。

2．2 用戶界面
這里利用簡單、易用、圖形化的虛擬儀器軟件LabVIEW編寫操作界面。
主程序界面分為控制和顯示兩個區，實現對數據采集的控制和顯示。顯示部分包括扭矩、轉速、溫度、油耗等參量的顯示，還包括超過極限亮燈顯示、統計分析顯示、日期時間顯示等；控制部分包括各測量儀控制開關、采集速率、存儲數據時間、PID參數值、極限值、初始值等的設置，如圖3所示。

根據流程需要，編寫了溫度測試子程序和速度判斷子程序，用于監控溫度和速度狀態。對于速度，用磁電和光電轉速傳感器同時測量，程序中設采樣頻率為5000Hz，采樣數為5000，每秒顯示、記錄一個點，每8個點取一次平均，判斷平均值誤差是否在設定范圍內而且持續一分鐘以上。
2．3 功能模塊
軟件按功能可分為扭矩計、轉速計、溫度計、油耗儀、空氣流量計、煙度計等測試模塊，每個模塊可獨立使用，分別測試各單個內容。信號采集完成后，可以進行數據保存（直接存入EXCEL）、圖表打印以及網頁發布等操作。監控參數出現異常時，應報警并停機。
對于油耗測量，首先要在電子天平的菜單中對與外設有關的參數進行設置，如波特率、奇偶校驗和握手信號等，然后用LabVIEW讀取數據實現串口通訊。廠商為煙度計和空氣流量計提供了相應軟件，可通過LabVIEW利用system exec.vi調用流量計和煙度計的數據采集軟件，并與LabVIEW主程序同步存儲。另外，環境條件如大氣壓、溫度、露點溫度、相對濕度等可通過互聯網從廣州五山氣象衛星觀測站獲得，而室內條件也要瑜空盒氣壓表、干濕球濕度計等儀器進行輔助測量。

3 標定和誤差分析

3．1 扭矩標定
測功器是利用測力機構的反力矩與發動機驅動力矩平衡的原理測功的，測力傳感器的精度代表了測功器的精度。利用測功器出廠時帶有的專用標定力臂，在試驗前對測功器和扭矩計進行標定。力臂安裝前，應使定子外殼平衡，傳感器輸出為零。用精度為0.01g的PB602-N型電子天平稱取100.00g的沙包，各沙包質量之間的誤差不大于0.02%。從零到滿量按靜態控制進行標定且變化量為100.00g。
扭矩計標定結果為：Me=-0.45166+0.01828X，通過SPSS軟件回歸分析得相關系數R=1.00，回歸方程系數與常數項t的檢驗均為Sig<0.01，即相關性非常顯著。
標定后測量的誤差不大于±0.5%，滿足國標推薦儀器精度±1%的要求。
3．2 轉速測量
磁電式測速傳感器裝在測功器主軸60等分的測速齒輪下，主軸每轉一圈，傳感器輸出60個電脈沖信號，設主軸轉速為n(r·min-1)，脈沖頻率為f(Hz)，一分鐘輸出脈沖信號總數K=60n=60f,推出n=f。
在LabVIEW下，利用頻譜分析函數于VI實現信號的快速傅立葉變換，求出信號頻率。因為轉速最大為2400r·min-1，即脈沖頻率f最高不大于2400Hz，根據采樣定理，設定采樣率fs=5000Hz，采樣時間取1s，則采樣數N=5000，頻率分辨率Δf=fs/N=5000/5000=1Hz。轉速的誤差為0.042%，滿足國標推薦儀器精度±0.5%的要求。
3．3 溫度測量
溫度調理模塊設置如表1所示，其中K型熱電偶范圍參考GB/T16839.1-1997。
表1 熱電偶調理模塊設置

在LabVIEW內設置好虛擬溫度通道，LabVIEW內部自動設置用冪函數擬合標定的曲線。溫度系統總誤差等于溫度采集系統中DAQ卡、系統噪聲、增益、漂移冷端補償等各因素誤差的總線。排氣溫度計和冷卻水溫計經過機械要業第三計量測試（廣州）站根據國家檢定規程JJG368-1984進行了校準，而環境溫度計用RTS-60制冷恒溫槽（精度0.1℃）進行了校準。理論誤差和校準結構如表2所示。計量結果驗證了NI熱電偶測溫和冷端補償的可信度以及溫度系統達到了測量要求。

表2 溫度計誤差分析和校準結果

3．4 油耗量測量

油耗量用精度為0.01g、最大量程為2000g的GF-2000型多功能精密電子天平稱量，計時器為計算機時鐘。誤差在國標要求的±2%之內。
3．5 空氣流量測量
泰儀公司生產的AVM-07型流量計能同時測量空氣流量和進氣溫度，出廠時已校準。流量測試范圍為0.0～45.0m/s，精度為±3%+0.1，在國標要求的±5%之內。進氣溫度測試范圍為0.0～45.0℃，精度為1℃，在國標要求的為±2℃之內。
3．6 煙度測量
FBY-1型柴油機煙度計屬于濾紙式煙度計，是根據國標GB3846-83和GB3847-83制造的。測量范圍為0～10Rb(波許單位)，分辨率為0.1Rb，滿足國標0.3Rb的要求。測試前，需要需備三張標準吸光紙進行校準。
3．7 其它參數的測量
大氣壓和水汽壓誤差為0.01kPa，露點溫度、干球溫度、濕球溫度誤差都為0.1℃。

4 試驗分析和應用

試驗用發動機為190-12型單缸立式柴油機。進行了恒轉速性能測試，同時與光電測速傳感器測量結果進行比較，設定轉速為2250r·min-1，且為連續自動記錄，發動機轉速與設定值差小于±0.2r·min-1。
本系統對柴油和十六種植物油的燃燒性能進行了連續一個月的測試。試驗過程中，保證上止點前32°的噴油提前角不變和油門全開。在發動機工作轉速范圍內，通過控制測功器改變發動機轉速進行測量，從2375r·min-1開始降到2250r·min-1，間隔為25r·min-1。其中，扭矩、轉速、溫度、油耗、空氣流量量每秒采一個點，而排氣煙度一分鐘采用三個點。在工況穩定一分鐘后，連續采樣一分鐘以上，每個樣品試驗重復三次，并測試最大扭矩點的情況。圖4所示為花生油甲酯混合物的測試曲線。
系統可直接測量的參數有扭矩、轉速、燃油消耗量、冷卻水溫、排氣溫度、環境溫度、進氣溫度、空氣流量和煙度。試驗各參數測量誤差與發動機試驗國家標準GB1105.36-87對比，都滿足要求。其中，冷卻水和排氣溫度誤差經機械工業第三計量測試中心（廣州）站校準，誤差分別為0.25℃和0.34℃。
系統開發和調試時間為兩個月，并應用在柴油機燃用0號柴油和十六種植物油的穩態性能測試試驗上，進行近一個月的試驗，運行情況良好。系統應用反映了系統操作界面友好直觀方便，有較高的存儲能力和穩定性，直接存入EXCEL數據可靠且二次處理容易。
本系統擴展容易，如熱電偶SCXI有八個通道可同時使用。在調試程序時，能進行多通道比較、監控，反映了系統的靈活性。