基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计【9张CAD图纸和说明书】
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毕业设计（论文）开题报告设计(论文）题目: 基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计院 系 名 称: 专 业 班 级: 学 生 姓 名: 导 师 姓 名: 开 题 时 间: 指导委员会审查意见： 签字： 年 月 日毕业设计（论文）开题报告学生姓名系部专业、班级指导教师姓名职称从事专业是否外聘是否题目名称基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计一、课题研究现状、选题目的和意义1.研究现状：1.1目前汽车油耗检测方法分类目前汽车油耗检测方法包括直接测量法和间接测量法两类。1.1.1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。1.1.2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。直接测试法通过计量一定时间或里程内汽车消耗的燃油体积或质量得到汽车油耗，需要拆开发动机油路接入油耗仪,安装不便，历时较长,且存在安全隐患；既破坏了汽车原有结构,又费时费力，影响发动机燃油的供给和油耗测试精度。间接测试法以碳平衡法为主，测量精度较高，但整套测试设备昂贵,体积庞大、无法移动，对测试环境要求高,取样口需要与排气管密封连接,很难普及应用。相对于直接测量法而言，间接测量法要方便的多。由于它不是与被测燃油直接接触，所以降低了安全隐患。由于在不破坏汽车原有结构的前提下安装在被测液体的管道上，所以安装方便，而且不会影响燃油供给和测量精度。2.选题目的和意义：2.1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，我国机动车保有量已达1.99亿辆，其中汽车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，仅次于拥有约2.5亿辆的美国，成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，因此中国石油的消费将增长7.6%，每天达920万桶。到2015年中国预计将每天消费石油达到1160萬桶。由汽车消耗的燃料占我国燃料消耗总量的40%左右。据预测到2020年车用燃油消耗为3.05亿吨，换算成原油将超过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GB19578-2004于2005年7月1日实施。我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/100km的目标。轻型商用车燃料消耗量限值（GB20997-2007）为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（GB21378-2008）于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JT 7112008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3500kg以下的乘用车和轻型商用车在销售时都必须粘贴汽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。2.2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2.2.1国际燃油价格的不断攀升和厂家的燃油消耗测量存在误差石油在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/h等速或90km/h等速或45km/h等速测取。因此同类型、同价位车型间无法进行油耗对比。一辆排量2.4L的车，理论油耗为6.2L/100km，而实际油耗却高达10L/100km以上。实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：针对总质量在3.5t以下的乘用车和轻型商用车，包括国产和进口车型，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GB/T 19233-2008轻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。2.2.2油耗检测机构设置和检测设备精确需要提高（1）检测机构：负责真实油耗检测的机构应该具备高责任心和严谨的态度,对油耗的真实性和准确性负责到底。（2）检测仪器：检测项目、检测精度、仪器成本、使用便利性等应满足要求。2.3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3000kg，碳氢化合物200400kg，氮氧化合物50150kg；美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/100km，实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。二、设计（论文）的基本内容、拟解决的主要问题设计内容：（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。拟解决的主要问题：（1）针对以往流量计的结构复杂、安装不便、测量精度不高等问题。利用超声波技术的时差法设计一台超声波油耗检测仪器；（2）采用多声路方法进行测量，并通过查阅大量文献、资料，参照流量计算公式以及各权重系数的取值方法，尽量减少由于实际流体的流速分布不均而造成的测量误差，提高测量准确性与稳定性；（3）通过实验检测超声波流量计在工作环境以及安装中易出现的误差，对其提出改进办法，以提高超声波流量计的工作可靠度。（4）完成一台超声波流量计，完成硬件电路的设计与软件程序流程图的编写。3、 技术路线（研究方法）本次课题研究的是基于超声波技术的汽车油耗检测仪器设计。超声波流量测量按原理分为时差法、多普勒法、相关法、噪声法、波束偏移法和空间滤波法等，其中时差法应用最广泛。时差法超声波流量检测主要用于气泡、杂质含量不超过3的纯净流体的测量，其测量电路简单，采用信号自动跟踪、温度自动补偿等先进技术，具有性能稳定、计量准确可靠、仪表运算和测试精度高、安装使用方便和测量范围宽等特点。3.1理解超声波流量计工作原理超声波在流体中传播时, 由于流体的流动, 声波在顺流和逆流时传播速度是不同的。设流体的流动方向如图1 所示。从图中可以看出, 当探头1 发射、探头2 接收时, 声波顺流传播, 所需时间比静态流体时要少。反声波逆流传播时所需时间比静态流体时要长。超声波在流体中的传播速度是静态流体中的声速与流体流速的矢量合成。在一定条件下, 静态的流体中的声速是一定的, 当我们分别测出顺流与逆流时所需的传播时间就可以求得流体的流速。图 1.超声波流量检测原理图3.2时差法超声波汽车油耗检测方法的技术分析时差法超声波汽车油耗检测原理见图2。测量超声波脉冲在同一流体中顺流和逆流传播的时间差，得到被测流体的流速。超声波换能器TRA和TRB采用管外V形安装， TRA和TRB在单片机的控制下，同时发射超声波脉冲和接收对方发射的超声波信号。超声波信号发射后以角穿过换能器斜楔，在换能器界面发生折射，以角穿过管壁，在管壁与被测流体的分界面上发生二次折射，以角穿过被测流体达到对面管壁的内侧面，经反射后超声波信号按相反的顺序进入另一个换能器。图2 超声波流量检测原理图TRA、TRB-超声波换能器；d-油管内径；d0-管壁厚度；D-油管外径；L0-换能器前端面距离；-超声波入射角；-超声波一次折射角；-超声波二次折射角 设超声波信号在被测流体中的声速为c1，在管壁中的声速为c2，燃油在管路中的流速为u，超声波顺流时从TRA到TRB历时t1，逆流时从TRB到TRA历时t2，则：； 式中，Q-被测燃油的流量；k-流量修正系数；c0-温度为0时的声速；kt-被测燃油声速温度系数；T-环境温度。 根据超声波流量计的工作原理，利用单片机控制超声波流量计的开闭，使传感器发出或者接收脉冲信号，并通过接收到的超声波脉冲频率经过A/D转换得到数字的流量信号，再通过信号就可以得到顺流与逆流时的声波流速。利用公式就可以求出一段时间内的燃油流量，从而计算燃油消耗。3.3其研究方案流程图如下所示：收集资料 知识准备理解超声波油耗仪的工作原理通过实验修正 调 试设 计 描 绘 超 声 波 检 测 仪 的 整 体 结 构 图硬件设备的选取 程序流程图的编写描绘控制系统电路图油耗仪器的组装，实验，信号采集外 形 设 计 外壳材料选择外形尺寸确定应用试验调整组装成完整油耗检测仪器实 验完成设计 四、进度安排（1）调研、资料收集、完成开题报告 第12周（2月28日3月13日）（2）方案设计与分析、整理 第34周（3月14日3月27日）（3）结构设计、计算与分析 第57周（3月28日4月10日）（4）完成绘图工作 第810周（4月11日5月8日）（5）说明书撰写 第1112周（5月9日5月22日）（6）校对、完善和打印 第1314周（5月23日6月5日）（7）毕业设计审核、修改 第1516周（6月6日6月19日）（8）毕业设计答辩准备及答辩 第17周（6月20日6月26日）五、参考文献1 付百学,胡胜海.汽车油耗测试系统数学模型的建立与应用研究J.测试技术学报，2008(1)：38-43.2 YE Sheng,XU Xiao-Ming. Research and design of a new I.C.engine instantaneous-fuel-consumption meterC.Hong Kong: The Institution of Electrical Engineers, 2002, 357-359.3 原培新，孙丽娜，刘红梅.汽车不解体油耗分析仪检测方法研究J.仪器仪表学报，2006（6）：1136-11394 段允,王让定,孙广清.一种提升时差法超声波流量计精度的方法J.微电子学与计算机,2009(8):28-315 杨志勇,高钦和,刘俊.超声波流量检测系统误差的温度修正研究J.仪表技术, 2008(8):47-506 Tang Huiqiang,Huangweiyi.Ultraonic wind velocity measurement based on DSPJJournal of southeast university(Eng1ish Edition),2005.21(1). 7 吴志敏,苏满红,叶玮渊.时差法超声波流量计流速修正系数的数值模拟J.工业计量, 2008,18(4):1-48 刘秀红,田志宏,果红军.超声波流量计的低功耗高精度时间测量方法J.仪表技术与传感器,2009(10):43-449 李利品.基于DSP的高精度超声波流量
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