嵌入式發動機活塞溫度測試系統設計

石敬南，王代華，張 強，趙慶嵐

(1.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261000；3.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261000；4.陸軍裝備部駐北京地區軍事代表局，北京 100000)

0 引言

活塞作為發動機最關鍵的零部件之一，工作環境十分惡劣[1]。發動機燃燒室內部燃氣瞬時溫度可達2 000 K[2]，活塞在氣缸中往復運動的同時，會直接接觸高溫燃氣，受熱嚴重，而密閉的燃燒室又不利于散熱[3]，高溫在活塞內部產生的熱變形和熱應力會使活塞強度降低，最終造成發動機拉缸[4]。研究表明，局部溫度過高，溫度分布不均導致活塞內應力增大、活塞變形是活塞失效的主要原因[5]。因此對發動機活塞溫度進行測試，獲取溫度隨時間變化曲線，進而為分析活塞溫度場分布規律提供實測數據，對發動機設計和改良具有重要意義。

傳統的活塞測溫方法有硬度塞法、易熔合金法、殘余硬度法等[6]，因測量精度不高，實測過程中大都作為參考方法使用。引線法精度較高，但在活塞往復運動過程中，引線因反復拉伸很容易折斷[7]。針對發動機活塞溫度測試以上問題，本文將存儲測試方法與無線通信技術相結合，設計了一種具有無線通信功能的發動機活塞溫度測試系統，將測試裝置做散熱隔熱處理后嵌入發動機內部實時采集活塞測點溫度值。

1 系統結構及原理

系統由測試儀和上位機兩部分構成，總體框圖如圖1所示。測試儀主要由電源管理模塊、信號調理模塊、采集存儲模塊和無線通信模塊構成，上位機部分由上位機軟件和ZigBee協調器模塊構成。系統選用K型熱電偶作為測量活塞溫度的傳感器，通過信號調理模塊將熱電偶輸出電壓變為可被ADC接收的范圍，信號調理模塊包括RFI前置濾波、通道選擇、冷端補償和二階壓控濾波等部分。采集存儲模塊選用PIC24系列單片機作為控制核心，并選用PIC單片機內置12位AD作為模數轉換器，負責采集活塞頂部的3路熱電偶信號并將測試結果存至存儲器內。測試儀無線通信模塊選用CC2530作為主控芯片，負責與上位機進行通信，上位機協調器節點也由CC2530作為控制核心，負責網絡的建立、串口命令的發送和無線數據的接收。

圖1 系統原理框圖

系統上電后，PIC單片機作為主機使用，CC2530工作在從機模式。為了降低系統功耗，PIC單片機在采集進程開始前和結束后均處于低功耗模式，CC2530由定時器控制周期性休眠和喚醒。測試開始前，先通過上位機對系統觸發溫度進行設定，當發動機運轉至測試工況后，環境溫度升至預設值，PIC外部中斷觸發，系統開始采集任務。當上位機發來指令后，首先被從機CC2530射頻信號收發模塊接收處理后，再由CC2530通過外部中斷喚醒PIC單片機對上位機指令進行處理。

系統主要設計指標如下：

1)溫度測試范圍：50～800 ℃；

2)溫度測試誤差：≤±2 ℃；

3)最高工作溫度：≥125 ℃；

4)采樣頻率：50 kHz；

2 系統硬件設計

2.1 前置RFI射頻濾波電路設計

活塞測溫時，測試環境周圍手機、電腦、無線電廣播等設備會產生的大量的高頻噪聲信號[8]。由于熱電偶輸出信號很小，這些噪聲被熱電偶引線拾取后會產生較大干擾，經儀表放大器整流后會造成直流失調[9]，造成測試誤差，且在儀表放大器的后續信號處理中不易濾除。因此，在熱電偶信號輸入儀表放大器之前，設計了前置RFI低通濾波電路，如圖2所示。其中，差模截止頻率為：

圖2 RFI濾波原理圖

(1)

共模截止頻率為：

(2)

式(1)和(2)中，C=C1=C3，R=R1=R2，C2≥10C。

當R1=R2=1 k，C1=C3=10 nF，C2=100 nF時，代入得(1)和(2)得，fdm=757.88 Hz，fcm=15.92 kHz。即對頻率大于757.88 Hz的差模信號和頻率大于15.92 kHz的共模信號具有很好的抑制作用。

2.2 冷端補償電路設計

使用熱電偶測溫時，通常默認參考端溫度為0 ℃[10]，但在測試發動機活塞溫度時，熱電偶冷端溫度并不為0 ℃，因此需要對冷端進行溫度補償。測試系統冷端補償電路設計如圖3所示，主要由基準電壓源、AD590和補償電阻構成，通過在熱電偶回路中產生隨溫度變化的反向電勢，將冷端溫度不為0時產生的電勢抵消掉，從而起到溫度補償的作用。其中AD590為集成溫度傳感器的環境溫度測量芯片，輸出電流與溫度上升成正比，LT66548BX為2.5V基準電壓源。

圖3 冷端補償電路原理圖

設活塞頂部熱電偶測試端溫度為T，環境溫度為R，熱電偶回路產生的熱電勢為E(T,R)，即熱端產生的接觸電勢為E(T)，冷端產生的接觸電勢為E(R)，且在實際測量過程中，補償電阻A產生的補償電勢為UA。則熱電偶回路輸入儀表放大器的電勢為E(T,R)與UA之和，當冷端電勢E(R)與補償電勢UA相等時，二者完全抵消，實現冷端溫度補償。據此對結點A應用節點電壓法并列出冷端溫度補償電壓方程。另外，當完全補償時，補償電壓UA對溫度的變化率應與K型熱電偶在溫度為R時的微分熱電勢相等，據此列出補償電壓的導數方程，兩者聯立如下：

(3)

式(3)中,電阻A為接參考電壓源的補償電阻，電阻B為節點A的接地電阻，IA(R)為AD590芯片在環境溫度為T時的輸出電流，Vref為2.5 V基準電壓，KR為熱電偶在環境溫度為R時的微分熱電勢，式中只有電阻A、B的電阻值未知，通過代入已知量可求出電阻A與電阻B的值。

2.3 可調溫度觸發電路設計

測試系統具有可調溫觸發功能，當環境溫度達到系統觸發值后，系統自動開始瞬態溫度的采集?？烧{溫度觸發電路主要由AD8495和數字電位器構成，通過上位機編程控制數字電位器實現預設觸發溫度的功能。AD8495為ADI公司生產的集成冷端溫度補償的精密熱電偶放大器，其輸出電壓Vout和溫度T具有良好的線性關系，當用作溫度設定點控制器時，設定溫度T0為：

T0=(Vse-VREF)/5 mV/℃

(4)

式中,Vse為SENSE引腳輸入電壓，VREF為參考電壓。當溫度低于預設溫度時，AD8495輸出低電平。溫度高于預設溫度時，AD8495輸出高電平。實際測試過程中，當溫度上升至預設溫度值后，AD8495輸出上升沿觸發PIC單片機外部中斷，喚醒PIC單片機開始工作。數字電位器選用單通道256位置分辨率的數字電位器，REF引腳接電壓基準芯片輸出，通過分壓跟隨電路調整其電壓變化范圍為0～1.25 V，通過單片機控制數字電位器即可使SENSE引腳輸入電壓為5 mV的整數倍，由(4)式知，當VREF引腳接地時，控制SENSE引腳電壓即可調節預設觸發溫度。

2.4 二階壓控濾波電路設計

對熱電偶輸出信號放大后，還需通過濾波電路濾除殘余噪聲，采用二階壓控濾波電路實現。系統工作頻率范圍在5 kHz以內，其自身的諧振頻率大于50 kHz，綜合考慮上述兩個參數，設置濾波器的截止頻率為10 kHz。二階壓控低通濾波電路如圖4所示。取R3=R4=4 kΩ，R1=R2=2 kΩ，C1=C2=0.01 μF。則二階壓控濾波電路通帶電壓放大倍數Aup為：

圖4 二階壓控濾波電路原理圖

(5)

等效品質因數Q為[11]：

(6)

2.5 無線通信設計

系統采用ZigBee技術作為無線通信方式，選用TI公司生產的CC2530芯片實現。系統無線通信部分由測試儀無線發送端和上位機協調器節點兩部分組成，兩者通過CC2530建立ZigBee無線網絡進行通信。測試儀無線發送端由主控芯片CC2530及其外圍的JTAG下載口電路、晶振電路、射頻收發端外接的巴倫電路和天線等部分組成。上位機協調器節點電路與測試儀發送端相似，主控芯片也為CC2530，通過串口與上位機相連，負責系統網絡組建、發送上位機命令和接收無線測試數據。

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

PIC單片機工作流程如圖5所示，測試系統上電后，PIC單片機首先對內部堆棧指針、中斷向量表、各I/O口、看門狗、串口通信模塊等部分進行初始化設置，配置系統時鐘并為寄存器賦初值，初始化完成后，使能全局中斷并將外部中斷INT1設置為上升沿觸發，然后進入睡眠模式等待相應指令。當AD7485作為預設溫度控制器時，上位機通過調節SENSE引腳輸入電壓即可設定系統開始瞬態采集的初始溫度值。當測試環境溫度到預設值后，AD7484會輸出一個上升沿喚醒單片機進入中斷子程序，系統開始瞬態溫度采集并將數據有序存入NAND Flash中。當測試工況的瞬態溫度數據采集完成后，定時器完成定時產生定時中斷，系統進入低功耗模式。當CC2530接收到上位機發來的數據讀取指令時，先判斷指令類型及有效性，然后通過外部中斷喚醒主機。主機將需要發送的數據從NAND Flash中讀出后，通過UART串口返回至CC2530，最后通過射頻無線發送模塊將數據發送至上位機接收終端。當單片機發生異常時，看門狗首先將當前存儲的數據和地址保存下來再產生復位信號使單片機復位，當無線傳輸功能發生異常時，可在設備回收后通過USB口直接讀取NAND Flash中存儲的備份數據。

圖5 PIC單片機主程序流程圖

3.2 ZigBee無線通信模塊程序設計

測試系統無線通信模塊工作過程如圖6所示。測試儀內部，CC2530與PIC單片機通過UART接口通信，PIC單片機工作在主機模式，CC2530作為從機使用。測試系統開始工作后，從機節點被上電激活，先進行軟硬件初始化，然后開始掃描與上位機相連的協調器節點組建的網絡信息，檢測到信標后立刻發送關聯請求申請加入網絡直至入網成功。

圖6 ZigBee終端程序

4 實驗結果與分析

在活塞溫度測試試驗前，利用高溫箱對測試系統進行了標定。系統上位機最終接收的值為測量端電壓轉換成的數字量，需要轉變為測量端溫度值。由于不同溫度下熱電偶微分熱電勢有一定差別，輸出不是線性關系，直接建立系統輸出與活塞溫度的擬合關系式比較復雜。因此，先測試不同溫度下的熱電偶經冷端補償電路后輸入儀表放大器的電壓值，將其與最終上位機接收的數字量用最小二乘法擬合，建立二者的擬合關系式，進而將電壓值代入ITS-90溫標規定的從熱電偶輸出電勢反解測量端溫度的NIST公式中求出測試端溫度值[12]。從0 ℃到800 ℃以50 ℃為間隔取16個溫度點對系統進行了標定，通過擬合關系式解算出最終溫度值，然后通過公式(7)對擬合關系進一步修正，使最終修正結果的最大正誤差與最大負誤差相等，系統誤差在±1 ℃以內。標定值、未經修正的溫度值和修正后的溫度值如表1所示，修正前系統最大誤差為0.9 ℃，修正后變為0.8 ℃。

表1 最終擬合溫度表 (單位：℃)

(7)

式中,f(x)為擬合函數，Δ1和Δ2分別為最大正誤差與最大負誤差，y為修正后的溫度值。

在活塞頂部布設3個溫度測點，其中測點1位于活塞中心，測點2與測點3對稱分布在活塞頂部靠近邊緣位置的兩側，測點2位于氣缸進氣側方向，測點3位于氣缸排氣側方向。通過上位機關閉系統溫度觸發功能，打開無線觸發開關，按如下步驟在發動機臺架上進行活塞溫度測試試驗：

1)在活塞銷孔附近打3個與活塞頂面垂直的鉆孔，然后將熱電偶引線做絕緣隔熱處理后經鉆孔安裝至活塞頂部3個測點處；

2)將測試裝置做隔熱減震處理后安裝在活塞銷座的下方并上電；

3)檢查發動機油箱、水箱、機油液位等參數是否正常，啟動發動機；

4)發動機怠速運轉15分鐘后，通過發動機臺架配置的測功機調節發動機轉速和扭矩，使發動機進入待測試工況。

5)上位機發送“開始采集”指令開始活塞頂部溫度采集，采集完成后發送“數據讀取”指令接收測試數據。

6)調整發動機轉速，運行穩定后按步驟5)再次測試新工況下的活塞頂部溫度值。

7)通過上位機打開系統溫度觸發功能，設置環境溫度觸發值后，再次測試。

發動機轉速為1 500 r/min時測點1測試結果如圖7所示，發動機轉速為2 000 r/min時測點3測試結果如圖8所示。當發動機轉速為1 500 r/min時，測點1～3穩定后的平均溫度分別為232 ℃、228 ℃和245 ℃。發動機轉速升至2 000 r/min時，測點1～3穩定后的平均溫度分別為255 ℃、250 ℃和280 ℃。

圖7 1 500 r/min測點1測試結果

圖8 2 000 r/min測點3測試結果

從測試結果可以看出，3個測點中位于排氣側的測點3溫度最高，位于燃燒室中心的測點1溫度略高于進氣側的測點2，3個測點的溫度均隨著發動機轉速的增加而升高。

5 結束語

本文將存儲測試技術應用在發動機活塞溫度測試領域，設計了一種嵌入式活塞溫度測試系統，并通過發動機臺架試驗驗證了系統的有效性和可靠性。試驗表明，本系統在130 ℃高溫環境下仍能正常工作，誤差在±1 ℃以內，實現了預期功能，為活塞溫度測試提供了新的技術手段，為發動機活塞設計和優化提供了實測數據支撐。