基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计

摘 要近年来，汽车工业有了突飞猛进的发展，由于全球高新技术的日新月异以及人们对环境保护与节约能源的更加关注，各种油耗检测仪器就应运而生，但是其中大部分为解体式油耗检测技术下的燃油消耗检测仪器，主要为容积法和质量法。由于此种检测设备的结构复杂，特别是在我国颁布的第一个关于乘用车燃料消耗量限制值的标准，使得汽车油耗检测的需求更加迫切，不解体油耗分析系统的开发研究是交通部重大科技攻关项目，此项目包括从方案确定、硬件设计、信号处理到软件编程等很多内容，本论文的目的就是设计一套不解体燃油消耗检测仪器于超声波技术下的燃油消耗检测仪器是一种利用超声波流量计技术测量燃油流量并通过计算电路得到燃油消耗情况的一种新型的燃油消耗检测仪器。超声波流量计具有不扰乱流场、无可动部件、无压力损失、测量精度高、性能稳定可靠、测量范围宽等特点，广泛应用于液体和气体的计量。关键词：超声波换能器、流量、模块、环鸣法、行通讯by to is to of of of is in of of of is - of of a of is no 摘要.燃油经济性的概念和意义.汽车油耗检测的发展概况.国内外汽车油耗仪检测研究现状.课题研究背景及意义.本设计主要研究内容.汽车油耗仪器的测量方法与分类.超声波流量计发展历程与研究现状.管道流量测量的理论基础.超声波流量测量的原理.超声波测量方案的确定.本章小结. 系统硬件电路的总体设计.统硬件的结构设计.系统硬件电路的模块设计.收切换电路.门狗及数据存储模块.盘模块.讯接口的选择. 本章小结. 壳体材料的选择. 外型尺寸的确定. 控制面板的设计. 数据线接口的设计. 油耗仪器内部结构设计. 超声波换能器装夹结构设计. 本章小结. . 本章小结.系统软件整体结构及功能.主要功能模块的设计. 本章小结. 试验的目的和意义.零流量下的相关实验.实时流量实验.误差分析.影响.t 的影响.t 的影响.温度和压力的修正.本章小结.车燃料仍将以石油产品为主。例如:西欧工业发达国家交通运输消耗石油产品的34%美国交通运输部门消耗国内石油产品的52%。2002年，口石油则超过7200万吨，耗费200多亿美元。汽车燃油消耗量分别占我国汽油和柴油产量的87%和21%。外，由于汽车运输的油耗占汽车运输成本的20%以上。节约燃料就意味着汽车运输成本的降低，经济效益的提高。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能的意义重大。例如:同1970年相比，1993年美国汽车平均油耗下降了33%。为此世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。在保证动力性的条件下，汽车以尽量小的燃油消耗量经济行驶的能力，汽车的设计和生产上来讲，改进发动机结构(如发动机的稀燃技术)是一个趋势，从而改善燃油的燃烧状况，提高发动机的热效率，来减少汽车的尾气对环境的污染。并且，汽车燃油经济性与汽车的底盘和发动机的结构和技术状况密切联系，所以汽车的燃油经济性可以作为汽车技术性能的综合考查指标。提高汽车的燃油经济性，即改进燃油的利用率，既可节约石油资源，又可降低我国对石油进口的依赖度;既降低运输成本，又可提高运输效益;并且可减少环境排放尾气污染量，从而改善环境质量。世界各国对提高汽车的燃油经济性都有自己的方法。在2002年年底，美国布什政府出台提高轻型车燃油经济标准的相关法规，里/加仑)00据美国交通安全部的统计数据，此举意味着到2007年，美国的汽油消耗量可以减少25亿加仑（1加仑=当于9463529460升。在1999年3月，日本在“能源合理消费法”中已经第二次颁布关于改善机动车性能的公告，在此公告中，分别规定了总质量小于2.5 求和1995年相比，2010年汽油车油耗限定值至少要降低20%。00002005年比1990年降低1/4。综上可见，较好的燃油经济性可以减少汽车的油耗，从而降低汽车的使用费用;进而降低国家总的石油消耗量，缓解国家能源危机。良好的燃油经济性还可以降低汽车利于生活环境的改善。界各国还没有强制执行汽车油耗法规或标准。1973年中东石油危机后，世界石油价格飞涨。此时，人们认识到石油资源的逐渐枯竭，也威胁到人类长远的正常生活。许多工业发达国家同时也是石油主要进口国，他们进口的石油有相当大的部分消耗在汽车上，从能源的安全性考虑，如果不控制汽车的油耗，他们的经济发展可能会受控于石油出口国。于是1975年美国政府首先颁布了能源保护法和能源政策，并制订了控制汽车燃油消耗量的法规，成为世界上第一部强制执行的汽车油耗法规。上世纪八十年代以来，世界各国开始关注温室效应引起的全球范围的气候变暖。二氧化碳（ 2是造成温室效应的主要因素，各种温室气体中 2分担了50%的责任，工业发达国家汽车排放的 2占该国 2排放量的30%由于汽车的燃油消耗量与 2排放量有直接关系。于是，油耗法规的意义不单是能源问题，还关系到环境问题。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能、环境保护的意义重大。为此，世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领域的重要课题。我国汽车行业从八十年代初就开始了制定汽车油耗标准的工作，制定了测各类车辆燃油消耗量的统一试验方法标准，并颁布了各类车辆的行业性燃油耗量限值标准，如:(1)12545车燃料消耗量试验方法;(2)货汽车燃料消耗量限值;(3)型载货汽车燃料消耗量限值;(4)用车燃料消耗量试验方法;由于这些都是行业性或推荐性的标准，加上油耗检测起来相对麻烦，所以国内多数检测站没有油耗检测项目或者是有而不用，所以把油耗检测真正纳入检测项目中来也是我国有待解决的问题。汽车发动机的重要测量参数之一。因此，燃油消耗量的测量是汽车性能试验的重要组成部分，其测量精度直接影响汽车实际性能指标、各项技术参数确定和主要附件的选配及调整等。目前，发动机台架试验多属于稳态工况，仍沿用传统的质量法或体积法测量发动机燃油消耗量。随着汽车技术飞速发展，对其测试的手段也应同步发展。目前的油耗仪多为体积式的，日本小野公司的小油量分辨率为20L/h。涡轮流量仪具有瞬时测量和累计功能，得到广泛应用，200L/标定条件下，精度可达响应时间2小功率汽油机燃油流量小，一般在10出涡流流量计下限，为此国内研制出不同大小的涡轮以满足汽油机小流量测量的需要。以上两种流量仪均用于汽车道路试验，只能测量体积流量。美国量范围可从1L/奥地利的油量25 C 时精度较高，台架试验测量范围为0150kg/h，尽管该油耗仪可进行动态测试，但由于仍是静态燃油测量秤的改进，动态响应时间大于200内有关燃油消耗测量设备的报道较少，只有一些专利。而应用软件与底盘测功机结合进行油耗测量的系统更加少，目前底盘测功机上应用的软件都是一些串口调试软件，通过与油耗仪结合，接受油耗仪的数字信号，通过计算机分析处理，得出油耗结果。现在，国内油耗测试市场还是主要沿用传统的油耗仪测试方法和台架试验方法。此油耗仪作为其检测设备也应具有相应的精度。现有的油耗仪在出厂前通常只通过精密天平或者量筒对其进行标定。长期以来，油耗仪在生产和使用过程中缺乏检验装置进行全面有效检定，导致油耗仪失准，这是现有油耗仪质量失控的主要原因。1、我国经济持续快速发展，对石油资源的需求激增，能源供需矛盾日益突出据公安部交管局发布的数据(按上牌数来计算，这是最权威的数据了)显示，中汽车8500多万辆，中国目前就汽车保有量已经超过7500万辆左右的日本，为全球汽车保有量第二大国。而且我国还以每年新增机动车2000多万辆的数量在增加。2002年中国有将近2050万辆车，当时中国每天大约消耗540万桶石油。而现在我们到底每天需要的石油消耗。根据国际能源组织的评估：仅中国自己就需要世界石油需求增长的40%，中国的能源消费占全球的10%，美国能源消费是中国的两倍，每天达920万桶。到2015年中国预计将每天消费石油达到1160万桶。由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。算成原油将超过5亿吨，车用燃油成为我国新增石油消耗的主体。以中国的石油储备量和2008年中国石油静态消费量计算，我国的石油储备再过10年将全部耗尽。如果想将之延长到20年，则50%以上的车辆必须停止行驶。目前，包括欧盟、美国、日本、韩国等在内的很多国家和地区都已经根据各自国情实施了不同形式的汽车燃料消耗量标示制度，作为控制汽车二氧化碳排放和油耗的支柱措施之一。由于经济的飞速发展和机动车保有量急剧膨胀所引起的石油危机将在所难免，为此我国加快汽车节能管理体系的建立和完善。陆续出台了相关标准：轻型汽车燃油消耗量试验方法于2003年出台，解决了制造商在标示汽车油耗值时的随意性，必须按照统一的试验方法得到的数值来标示。乘用车燃料消耗量限值国首次按车辆重量分组确定不同汽车应该达到的燃料消耗量，实施后汽车厂商要通过产品文件和网络等途径向消费者公示生产车型的燃料消耗量;对于新认证车：第一阶段的执行日期为2005年7月1日，第二阶段的执行日期为2008年1月1日；对于在生产车：第一阶段的执行日期为2006年7月1日，第二阶段的执行日期为2009年1月1日。从2012年开始实施第3阶段，将把车型燃油消耗量作为评价指标，从而取代原先按单车限制的评价方法。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准将不再针对单车采用限值的燃油消耗量评价方法，而是从技术可实现的角度上，以整车装备质量为特征参数，为各个不同的质量段分别设定车型燃油消耗量目标值。第3阶段乘用车燃油消耗量限值标准的目标是使我国乘用车燃油消耗量平均水平在2006年的基础上下降15%左右，到2015年达到7L/100轻型商用车燃料消耗量限值（我国的轻型商用车设定了两个阶段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新认证基本型车及其变型车应符合第二阶段限值要求；自2009年1月1日起，在2008年2月1日前认证车型的在生产车及其变型车应符合第一阶段限值要求；自2011年1月1日起，适用于本标准的所有车辆应符合第二阶段限值要求。第二阶段目标实现后，我国轻型商用车的平均燃油消耗量可望减少10%15%。低速货车燃料消耗量限值及测量方法（6月1 日起实施。这项标准是我国第一项限制低速货车燃料消耗量的强制性国家标准。低速货车是指最高设计时速不大于每小时70公里，最大设计总质量不大于4500千克的货运车。营运客车燃料消耗量限值及测量方法008规定营运汽油客车燃料消耗量限值在柴油客车燃料消耗量限值的基础上相应增加15%。新投入的营运客车，2008年9月1日起执行第一阶段限值；2010年1月1日起执行第二阶段限值。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定规定从2010年1月1日起，所有最大设计总质量在3500车燃料消耗量标识并标注由国家指定检测机构按照统一的国家标准测定的市区、市郊、综合三种工况的燃料消耗量;消费者可以根据购车后的预期使用情况参照相应的燃料消耗量选择车辆。2、油价不断上涨，人们更加关注汽车油耗,厂家公布的油耗与实际差距很大石油在1998年最低点每桶不足10美元到2008年突破140美元每桶。现在每桶石油价格是105美元，而我们中国每天需要920万桶石油。我们每天就石油一项每天需要96600万美元。虽然我们自己国家开采石油可供应一半市场需求。那我们国家每天也在石油这一项需要支出外汇48300万美元。而2010年我国新增2000万辆新车。这些车都会增加我们多少石油消耗？换而言之是2010年我们需要使用比2009年更多的外汇购买石油！我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。所以经济、节油型汽车就是目前众多汽车厂家研究的对象。而许多汽车厂商也开始推行自己的汽车百公里油耗。但是汽车厂商宣传的百公里油耗，是在理想状态下测出的最小油耗，以60km/此同类型、同价位车型间无法进行油耗对比。00实际油耗却高达10L/100测综合油耗与理论油耗相差的竟然如此之大。因此工业和信息化部公布轻型汽车燃料消耗量标示管理规定：括国产和进口车型，在销售时必须粘贴汽车燃料消耗量标识，并标注按照国家统一标准测定的市区、市郊、综合三种工况的油耗量，并于2010年1月1日起施行。汽车燃料消耗量标示数据根据19233型汽车燃料消耗量试验方法测定。轻型汽车燃料消耗量标示管理规定,标志着统一标准下的车辆真实油耗即将取代目前车厂所公布的油耗数据。新车将被强制要求在指定检测机构进行燃料消耗量检测,以获得统一标准下的车辆真实油耗数据。这在消费者对各种油耗值信任度下降的背景下,需要一个更专业、更权威的检测数据来正本清源。3、汽车油耗关系到环保节能及汽车前沿技术的发展和应用我们的机动车保有量，随着这些年的经济发展，飞快的增长。这些增长潜在着消耗我们的外汇和我们的环境与身体健康。据统计，每千辆汽车每天排出一氧化碳约3000氢化合物200400氧化合物50150国洛杉矶市汽车等流动污染源排放的污染物已占大气污染物总量的90%。汽车尾气可谓大气污染的“元凶”。我们每年购买石油使用的美元千亿上下！我们近2亿辆机动车，如果全部开动，那么一天就会排出一项一氧化碳就是60万吨。会对人体健康产生多么大的影响？！石油每年消耗我们数千亿美元、机动车每天给我们呼吸的空气中添加一氧化碳60万吨。所以我中国面临着国内的油田产量已经严重满足不了国家与人民群众的需求、必须每年外购千亿美元的石油、使用石油带来的严重的空气污染、等等！这些严重的问题，他迫切的要求我们对汽车燃油消耗进行精确控制，达到节能减排的目的。2004年的产业政策，首次鲜明地提出国家引导和鼓励发展节能环保型小排量汽车。汽车产业及相关产业要注重发展和应用新技术，提高汽车的燃油经济性，明确提出2010年前，乘用车新车平均油耗比2003年降低15%以上。要依据有关节能方面技术规范的强制性要求，建立汽车油耗公示制度。国家发改委等相关部门制定的乘用车类汽车的节能目标也与我国的石油资源状况吻合即通过先进节能技术的应用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共计下降50%，也即2020年时乘用车的平均燃料消耗量达到5L/100现与国际水平的接轨。因此研究汽车油耗检测方法，采用不同的油耗检测方法适应不同的检测要求，具有重要意义。是要提高汽车的燃油经济性，就要以燃油消耗量的准确测量为前提。基于超声波技术的燃油消耗检测仪器可以有效提高这种测量的精度。本文主要研究的内容：（1）介绍基于超声波技术的汽车油耗检测技术理论；分析汽车油耗不同检测方法的特点；设计本次油耗仪器的结构；（2）确定基于超声波技术的汽车油耗检测的控制原理；设计建立汽车油耗检测的数学模型；（3）设计汽车油耗检测仪器的总体结构和选择硬件设备，并进行系统控制电路设计；（4）根据仪器功能要求和油耗检测数学模型等进行软件系统流程设计，编写控制程序流程图；（5）超声波检测仪器的外形设计；（6）超声波换能器的夹紧机构的设计。直接测量法直接测量法通过计量一定时间或里程内汽车所消耗的燃油体积或质量，得到汽车的燃油消耗量。包括容积法、质量法（失重法）等。该方法需要将油耗仪串入发动机的燃油供给系统,存在着安全问题(汽油挥发造成污染和易燃)；油耗仪串入到油路中会影响到发动机燃油的供给和燃油消耗量的测试精度；同时,油耗仪的安装连接十分不便；安装和测量过程时间较长。（1）容积法、统采用流量传感器检测燃油流量信号，并将信号送给单片机处理，单片机根据存储器中存储的数据和相应的控制程序得到不同要求和条件下的油耗量，通过显示器或打印机进行数据输出，通过键盘实现人机交互功能，还可通过通讯接口实现数据传输，扩展系统功能。通常体积流量检测采用涡轮流量传感器、超声波流量计等，质量流量检测采用压差传感器（质量传感器）。油管道上各安装一只涡轮流量传感器,用来得到进、回油管道的流量信号，并送入单片机。单片机对进、回油管道流量信号进行处理,并做温度修正,得到进、回油管道标态体积流量,然后对进、回油管道的流量进行差值计算,累加得到实际燃油消耗量。（2）油耗测量计量方法容积法测量。在测量范围内,传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比,该比值即体积仪表系数K,计算公式: 3600 或 （中:f 为流量信号频率,为体积流量,l/h；为体积总量,L。将仪表系数 片机即可由获得的流量脉冲频率 f 与仪表系数质量法（失重法）测量，2重法）测量原理图中：1量传感器输出与油罐内的燃油质量成正比的电信号： ( )c fU kW k W W （中 油罐自重； 罐内燃油质量；量时,传感器输出的电压信号随着油罐中燃油的消耗而降低。对测量过程传感器输出的电压信号求导，dU （间接测量法间接测量法即不解体测量法，包括碳平衡法、超声波法（测体积流量）、燃油喷射量累积法等。（1）碳平衡法通过发动机混合气燃烧前、后的碳(C)质量守恒,得到汽车的燃油消耗量。基于物质守恒定律。该方法只要测得排气 (或稀释排气)中含要是O、和排气(或稀释排气)的流量,就可得到排气中总的烧前的同时考虑参与燃烧的空气(或用于稀释的空气)含有的C。因此,只要测量(稀释)排气的流量和含可实现汽车和发动机不解体燃油消耗量的测量,解决直接测量法存在的弊端。（2）燃油喷射量累积法根据电控喷射发动机的特性及原理，汽车耗油量与喷油器的开启时间成正比，直接通过采集喷油器的控制脉冲宽度（即喷油时间），找出耗油量和控制信号脉宽之间的关系，只需测量控制信号脉宽就可以计算出相应的耗油量及耗油率。（3）超声波法（测体积流量）当超声波在流动的媒质中传播时，超声波速度与静止媒质的传播速度有所不同，其变化值与媒质流速有关。因此根据超声波速度的变化即可求出媒质流速。种技术不仅应用在工业的石油、水资源的管理等各方面，而且在医疗、海洋观测、河流及各种计量测试中都有着广泛的应用。20世纪30年代，动了各国超声波流量测量的研究，如美国、意大利等相继出现，但都没有大的进展，都局限十对相位差法的研究。50年代，出现“鸣环”测量法，即通过多次循环测量，其测量周期长，响应慢，系统可靠性差。20世纪70年代中后期，由于电路技术的发展，使得超声波流量计克服了一些以前的弱点，使高精度时间测量成为可能，加上具有高性能的锁相环(术的应用，使得超声波流量计的性能开始完善，在稳定性和可靠性方面得到了提高。声速变化会对测量结果产生影响，所以出现了频差法，来消除声速带来的误差。锁相频差法测量方法，测量周期短，响应速度快，所以这种测量方法在大管径大流量的超声波流量计的设计得到应用并且测量精度得到保证，但缺点是不能应用在小管径小流量的测量，保证不了测量的精度。加上前苏联的科研工作者通过大量的实验对管道内流体作了深入的研究，得出管道内流体流动存在层流和紊流两种状态，并给出了层流状态与紊流状态下流速分布规律，为了使超声波流量计的测量更加准确，精