用于汽車燃油計(jì)量的智能渦輪流量計(jì)的研究
【摘要】本文研究了一種渦輪流量計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量進(jìn)行計(jì)量。文中對(duì)渦輪流量計(jì)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、電路組成和軟件開發(fā)等方面進(jìn)行了深入研究分析，設(shè)計(jì)了智能型渦輪流量計(jì)的總體方案。這種流量計(jì)對(duì)于對(duì)加強(qiáng)企業(yè)管理、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力等方面具有十分重要的意義。
在燃油價(jià)格不斷飆升的今天，汽車運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)成本大部分來(lái)源于每日消耗在汽車上的燃油。如果我們?cè)诮?jīng)營(yíng)一個(gè)車隊(duì)，就應(yīng)該采取必要的措施對(duì)汽車進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，盡可能杜絕燃油浪費(fèi)現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。因此采取安裝燃油流量計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量進(jìn)行計(jì)量。同時(shí)，節(jié)約燃油不直接的經(jīng)濟(jì)效益，而且對(duì)減少汽車尾氣污染，保護(hù)環(huán)境也起到了積極的作用。
本流量計(jì)選用渦輪流量計(jì)，渦輪流量計(jì)是一種速度式流量?jī)x表，它利用置于流體中的葉輪旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成比例的關(guān)系，通過測(cè)量葉輪的轉(zhuǎn)速來(lái)反映通過管道的體積流量的大小，是目前流量?jī)x表中比較成熟的高精度儀表。渦輪流量計(jì)由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)量。傳感器輸出與流量成正比的脈沖頻率信號(hào)，該信號(hào)通過傳輸線路可以遠(yuǎn)距離傳送給顯示儀表，便于進(jìn)行流量的監(jiān)測(cè)顯示。
二、研究的主要內(nèi)容和設(shè)計(jì)思路：
渦輪流量計(jì)按照傳感器結(jié)構(gòu)可分為軸向型和切向型兩種。軸向渦輪流量計(jì)目前應(yīng)用較為廣泛，大多數(shù)的現(xiàn)有產(chǎn)品采用的都是軸向渦輪流量計(jì)，而切向渦輪流量計(jì)的應(yīng)用實(shí)例并不多見。但是切向渦輪流量計(jì)自身的一些特點(diǎn)是軸向渦輪流量計(jì)所不具備的，例如：精度高、重復(fù)性好、響應(yīng)速度快、壓力損失小、信號(hào)便于遠(yuǎn)傳、即使出現(xiàn)故障也不會(huì)阻塞管路等。這里我們主要研究切向渦輪流量計(jì)如何對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油流量進(jìn)行計(jì)量，研究流量信號(hào)的采集和處理過程，將MSP430單片機(jī)應(yīng)用到渦輪流量計(jì)信息處理單元。
1．切向渦輪流量計(jì)的組成結(jié)構(gòu)：
切向渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)流程如圖1所示，它由負(fù)責(zé)流量檢測(cè)部分的流量傳感器和采集數(shù)據(jù)及顯示數(shù)據(jù)的流量顯示儀表兩部分組成。
圖1 切向渦輪流量計(jì)結(jié)構(gòu)流程圖
2．切向渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)和信號(hào)檢測(cè)原理：
由于切向渦輪流量傳感器的大小受汽車發(fā)動(dòng)機(jī)輸油管直徑大小的限制，在設(shè)計(jì)傳感器的殼體時(shí)，殼體的內(nèi)徑要與之相適應(yīng)，根據(jù)現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)的輸油管的實(shí)際情況暫定殼體的內(nèi)徑為12mm，從而能夠滿足流體流量的要求。切向渦輪流量傳感器的殼體一般采用不導(dǎo)磁的不銹鋼或硬質(zhì)合金制成，對(duì)于大口徑傳感器亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)。殼體是傳感器的主體部件，它起到承受被測(cè)流體的壓力、固定安裝檢測(cè)部件和連接管道的作用。殼體內(nèi)裝有葉輪、軸、軸承，殼體外壁安裝有信號(hào)檢測(cè)放大器。葉輪一般由高導(dǎo)磁性材料制成，是傳感器的檢測(cè)部件，它的作用是把流體動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對(duì)傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計(jì)。
當(dāng)被測(cè)流體通過切向渦輪流量傳感器時(shí)，流體通過噴嘴沖擊葉片，流體的沖擊力對(duì)渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，使葉輪克服機(jī)械摩擦阻力矩和流動(dòng)阻力矩而轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)踐表明，在一定的流量范圍內(nèi)，對(duì)于一定的流體介質(zhì)粘度，葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度與通過傳感器腔體的流量成正比。所以，可以通過測(cè)量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度來(lái)測(cè)量流量。如圖2所示為渦輪流量傳感器信號(hào)檢測(cè)總體流程圖，整個(gè)電路可分為兩部分：振蕩信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)檢出電路。
圖2 渦輪流量傳感器信號(hào)檢測(cè)流程圖
葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度是通過變頻調(diào)幅的原理來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)換的。一般采用電容三點(diǎn)式振蕩電路作為振蕩信號(hào)發(fā)生電路，將其中LC選頻網(wǎng)絡(luò)中的電感做為傳感器，電感放置位置和葉輪葉片垂直，當(dāng)有流量時(shí)，葉片轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)被測(cè)物靠近傳感器線圈時(shí)，線圈的等效電感發(fā)生變化，從而引起振蕩器的諧振頻率發(fā)生變化，此時(shí)由傳感器回路組成的振蕩電路輸出電壓波形不但頻率發(fā)生了變化，而且幅值也發(fā)生了變化。信號(hào)經(jīng)過檢波電路、濾波電路，從調(diào)制波中檢出葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)放大電路、電壓比較電路、電壓跟隨器得到和葉片旋轉(zhuǎn)頻率相同的脈沖信號(hào)，送至單片機(jī)智能儀表進(jìn)行累計(jì)和顯示。輸出電脈沖與葉輪轉(zhuǎn)速成正比，葉輪轉(zhuǎn)速與流量成正比，所以輸出電脈沖頻率與流過傳感器的流量成正比。
3．以單片機(jī)為核心的智能儀表設(shè)計(jì)：
本設(shè)計(jì)將MSP430單片機(jī)應(yīng)用到渦輪流量計(jì)信息處理單元，由單片機(jī)計(jì)算得出瞬時(shí)流量、累積流量等數(shù)據(jù)，通過液晶屏幕自動(dòng)予以顯示。智能儀表的硬件組成核心是MSP430單片機(jī)，輔以一些外圍電路模塊共同實(shí)現(xiàn)預(yù)期控制目標(biāo)。智能儀表內(nèi)部為數(shù)字世界，而與其交往的外部為模擬世界，兩者之間通過A/D、D/A器件作為交換界面。軟件程序的設(shè)計(jì)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)程序主要由三部分組成：系統(tǒng)主程序，實(shí)現(xiàn)各種功能的子程序，中斷服務(wù)程序。軟件編程環(huán)境采用的是IAR公司為MSP430系列單片機(jī)提供的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench和C語(yǔ)言調(diào)試器C-SPY。用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件的開發(fā)，可以大大提高開發(fā)調(diào)試工作的效率。以MSP430單片機(jī)為核心的控制電路，完成了整個(gè)系統(tǒng)的所有控制功能，這些功能包括：流量計(jì)量、流速顯示、參數(shù)置入、脈沖輸出、電源電壓監(jiān)測(cè)等。每個(gè)模塊經(jīng)調(diào)試成功后，在主程序中將各個(gè)模塊串連起來(lái)，通過調(diào)節(jié)模塊的先后順序使程序更合理。
三、結(jié)束語(yǔ)：
本文研究設(shè)計(jì)的渦輪流量計(jì)能夠?qū)崟r(shí)地反映當(dāng)前汽車燃油的累計(jì)流量和瞬時(shí)流量。對(duì)于駕駛員實(shí)時(shí)掌握油耗和公司管理人員對(duì)于公司成本的控制管理提供了準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文對(duì)這種智能渦輪流量計(jì)只做了初步的研究，仍存在一些問題有待今后進(jìn)一步深入研究。