用于汽車燃油計量的智能渦輪流量計的研究
【摘要】本文研究了一種渦輪流量計能夠?qū)崿F(xiàn)對汽車發(fā)動機的燃油流量進行計量。文中對渦輪流量計的結(jié)構(gòu)特點、電路組成和軟件開發(fā)等方面進行了深入研究分析，設計了智能型渦輪流量計的總體方案。這種流量計對于對加強企業(yè)管理、降低生產(chǎn)成本、提高企業(yè)的競爭力等方面具有十分重要的意義。
在燃油價格不斷飆升的今天，汽車運營的生產(chǎn)成本大部分來源于每日消耗在汽車上的燃油。如果我們在經(jīng)營一個車隊，就應該采取必要的措施對汽車進行實時監(jiān)控，盡可能杜絕燃油浪費現(xiàn)象，降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟效益。因此采取安裝燃油流量計的方法實現(xiàn)對汽車發(fā)動機的燃油流量進行計量。同時，節(jié)約燃油不直接的經(jīng)濟效益，而且對減少汽車尾氣污染，保護環(huán)境也起到了積極的作用。
本流量計選用渦輪流量計，渦輪流量計是一種速度式流量儀表，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，通過測量葉輪的轉(zhuǎn)速來反映通過管道的體積流量的大小，是目前流量儀表中比較成熟的高精度儀表。渦輪流量計由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成，可實現(xiàn)瞬時流量和累積流量的計量。傳感器輸出與流量成正比的脈沖頻率信號，該信號通過傳輸線路可以遠距離傳送給顯示儀表，便于進行流量的監(jiān)測顯示。
二、研究的主要內(nèi)容和設計思路：
渦輪流量計按照傳感器結(jié)構(gòu)可分為軸向型和切向型兩種。軸向渦輪流量計目前應用較為廣泛，大多數(shù)的現(xiàn)有產(chǎn)品采用的都是軸向渦輪流量計，而切向渦輪流量計的應用實例并不多見。但是切向渦輪流量計自身的一些特點是軸向渦輪流量計所不具備的，例如：精度高、重復性好、響應速度快、壓力損失小、信號便于遠傳、即使出現(xiàn)故障也不會阻塞管路等。這里我們主要研究切向渦輪流量計如何對汽車發(fā)動機的燃油流量進行計量，研究流量信號的采集和處理過程，將MSP430單片機應用到渦輪流量計信息處理單元。
1．切向渦輪流量計的組成結(jié)構(gòu)：
切向渦輪流量計結(jié)構(gòu)流程如圖1所示，它由負責流量檢測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)和信號檢測原理：
由于切向渦輪流量傳感器的大小受汽車發(fā)動機輸油管直徑大小的限制，在設計傳感器的殼體時，殼體的內(nèi)徑要與之相適應，根據(jù)現(xiàn)代發(fā)動機的輸油管的實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磁的不銹鋼或硬質(zhì)合金制成，對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，它起到承受被測流體的壓力、固定安裝檢測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檢測放大器。葉輪一般由高導磁性材料制成，是傳感器的檢測部件，它的作用是把流體動能轉(zhuǎn)換成機械能。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、使用要求等設計。
當被測流體通過切向渦輪流量傳感器時，流體通過噴嘴沖擊葉片，流體的沖擊力對渦輪產(chǎn)生轉(zhuǎn)動力矩，使葉輪克服機械摩擦阻力矩和流動阻力矩而轉(zhuǎn)動。實踐表明，在一定的流量范圍內(nèi)，對于一定的流體介質(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，可以通過測量葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度來測量流量。如圖2所示為渦輪流量傳感器信號檢測總體流程圖，整個電路可分為兩部分：振蕩信號發(fā)生電路和信號檢出電路。
圖2 渦輪流量傳感器信號檢測流程圖
葉輪的旋轉(zhuǎn)角速度是通過變頻調(diào)幅的原理來測量轉(zhuǎn)換的。一般采用電容三點式振蕩電路作為振蕩信號發(fā)生電路，將其中LC選頻網(wǎng)絡中的電感做為傳感器，電感放置位置和葉輪葉片垂直，當有流量時，葉片轉(zhuǎn)動。當被測物靠近傳感器線圈時，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。信號經(jīng)過檢波電路、濾波電路，從調(diào)制波中檢出葉輪轉(zhuǎn)動頻率信號，再經(jīng)過信號放大電路、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，送至單片機智能儀表進行累計和顯示。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．以單片機為核心的智能儀表設計：
本設計將MSP430單片機應用到渦輪流量計信息處理單元，由單片機計算得出瞬時流量、累積流量等數(shù)據(jù)，通過液晶屏幕自動予以顯示。智能儀表的硬件組成核心是MSP430單片機，輔以一些外圍電路模塊共同實現(xiàn)預期控制目標。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。軟件程序的設計采用模塊化的程序設計思想，系統(tǒng)程序主要由三部分組成：系統(tǒng)主程序，實現(xiàn)各種功能的子程序，中斷服務程序。軟件編程環(huán)境采用的是IAR公司為MSP430系列單片機提供的集成調(diào)試環(huán)境Embedded Workbench和C語言調(diào)試器C-SPY。用C語言程序設計來實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件和應用軟件的開發(fā)，可以大大提高開發(fā)調(diào)試工作的效率。以MSP430單片機為核心的控制電路，完成了整個系統(tǒng)的所有控制功能，這些功能包括：流量計量、流速顯示、參數(shù)置入、脈沖輸出、電源電壓監(jiān)測等。每個模塊經(jīng)調(diào)試成功后，在主程序中將各個模塊串連起來，通過調(diào)節(jié)模塊的先后順序使程序更合理。
三、結(jié)束語：
本文研究設計的渦輪流量計能夠?qū)崟r地反映當前汽車燃油的累計流量和瞬時流量。對于駕駛員實時掌握油耗和公司管理人員對于公司成本的控制管理提供了準確可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。本文對這種智能渦輪流量計只做了初步的研究，仍存在一些問題有待今后進一步深入研究。