（动力机械及工程专业论文）发电车柴油机油耗车载监测系统的研制.pdf

摘要 摘要 目前，车辆进库加油采取人工填单计量，油耗则根据油箱标尺刻度读取。这 种用进库加油量衡量、代替实际营运耗油量的方法，误差相当大，计量不科学， 无法计及诸如少加油多填数或多加油少填数等人为因素。然而目前的油耗检测系 统大都只能用在实验室台架试验上，这些系统的测量手段大多不适合用在车载系 统上，本论文针对这个问题根据具体柴油机机型，研制、开发一种具有记录发电 车油量变化和出车班次、出勤等基本信息的车载智能化微机监测系统。 设计以涡轮流量传感器、p c i 0 4 为硬件平台，在d o s 系统上用c + + 开发出 应用程序。软件中采用最小二乘法对涡轮流量传感器的仪表系数进行了非线性修 正，使油耗监测系统在小流量范围内也具有较高的测量精度。开发出的智能油耗 监测系统能够测量瞬时油耗、累积油耗、剩余燃油量。 最后，对系统误差进行了分析，针对目前国内瞬时油耗测量精度不高、瞬时 性差的状况分析了原因，并提出了改进意见。 关键词：涡轮流量传感器，仪表系数，非线性修正，瞬时油耗，累积油耗 a b s t r a c t p r e s e n t l y ，t h ep e t r o ls u p p l i e dt ot h el o c o m o t i v ed u r i n gi nt h ec a r p o r ti sf i l l e di n t h es t a t i s t i cs h e e t sm a n l y , a n dt h ef u e lc o n s u m p t i o nb yt h em a c h i n e i sm e a s u r e db y t h er u l e rs c a l ei nt h eo i lt a n k t h i sm e a s u r ew a yf i g u r e st h er u n n i n gf u e lc o n s u m p t i o n w i t ht h ep e t r o lq u a n t i t ys u p p l i e dt ot h eo i lt a n k ，s ot h e r ei sal a r g ee r r o rb e t w e e n t h e c o u n ta n dt h er e a lf u e lc o n s u m p t i o n t h ec o u n ti sn o te x a c t ，f o re x a m p l et h ec o u n t1 s l i t t l e ，b u tt h es u p p l yi sm o r e ，o rt h es u p p l yi sl i t t l ea n dt h ec o u n t i sm o r e ；t h em i s t a k e c o u l dn o tb e e nr e c o r d e d ，i ti sj u s tc a u s e db yt h em a n u a lo p e r a t i o nd u r i n gt h ef u e l c o u n t y e tm o s to ft h ec o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m sa r ed e s i g n e df o rt h el a b b e n c ht e s t s ，a n dt h e i rt e s tp r i n c i p l e sc a n tm e t e rt h er e q u i r e m e n t so fo n b o a r d f u e l c o n s u m p t i o ns y s t e m t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sa r t i c l ed e s i g n e da f u e lc o n s u m p t i o n s y s t e ma c c o r d i n gt h e i n d i v i d u a ld i e s e lm o d e l t h i s d e s i g n m a d et h et u r b of l o ws e n s o ra n dp c i 0 4a s h a r d w a r ep l a t e ， p r o g r a m m i n gw i t hc + + o nd o so p e r a t i n gs y s t e m t h ec o e f f i c i e n t so ft u r b o f l o w s e n s o r sw e r ea m e n d e dw i t h 一s t a g el e a s ts q u a r e ，t h i sn o n l i n e a ra m e n d m e n t m a k e t h er e c o r dm o r ep r e c i s e t h i si n t e l l i g e n tf u e lc o n s u m p t i o ns y s t e mc a n r e c o r dt h et o t a l f u e lc o n s u m p t i o n ，t r a n s i e n tf u e lc o n s u m p t i o n ，s u r p l u so i l i nt h eo i lt a n k ，v e h i c l e n u m b e ra n dt h eo p e r a t o ri d a tt h ee n do ft h ea r t i c l e ，t h ea u t h o ra n a l y z e de l e m e n t so ft h ee r r o r a tp r e s e n t ， m o s td o m e s t i ct r a n s i e n tf u e lc o n s u m p t i o ns y s t e ma l en o tp r e c i s e ，a n dt h ef r e q u e n c yo f t r a n s i e n tf u e lc o n s u m p t i o ns y s t e ma l en o te n o u g hh i g h ，t h ea u t h o rp o i n t e do u tt h e r e a s o no ft h i ss t a t u sa n dg a v es o m ei d e a st os o l v et h i sp r o b l e m k e yw o r d s ：t u r b i n e f l o ws e n s o r ，c o e f f i c i e n to ft u r b i n ef l o ws e n s o r n o n l i n e a r a m e n d m e n t ，t r a n s i e n tf u e lc o n s u m p t i o n ，t o t a lc o n s u m p t i o n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如 下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保 存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手 段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅 览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和 电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部 内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 沙咖列孑 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 月 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、己公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：1 ， | 砂年弓月圆e l 第1 章前言 1 1 选题背景及意义 第1 章前言 能源是发展生产，提高人民生活水平的物质基础。内燃机的主要能源是汽油 和柴油，随着我国汽车工业的发展和世界能源日益紧缺的现状，迫使人们关注汽 车燃油经济性及检测手段的准确性。2 0 0 4 年1 0 月2 8 日国家质量监督检验检疫 总局和国家标准化委员会联合出台了乘用车燃料消耗限值，第一阶段自2 0 0 5 年7 月1 日开始实施。可见能源的问题越来越引起人们的重视。目前车辆进库加 油采取人工填单计量，油耗则根据油箱标尺刻度读取。这种用进库加油量衡量、 代替实际营运耗油量的方法，误差相当大，计量不科学，无法计及诸如少加油多 填数或多加油少填数等人为因素。然而目前的油耗检测系统大都是只适用于实验 室台架试验，这些系统的测量手段大多也不适合用在车载系统上，比如失重法油 耗测量系统，由于其测量原理的限制很难在发电机车上应用。如能根据具体柴油 机机型，研制、开发一种车载柴油机油耗智能化监测系统，有望改变上述局面。 微机监测技术总体上已较成熟，但迄今国内尚未见采用该技术进行机车、发 电车柴油机用油监管方面的相关公开研究报道，更未见柴油机车载油耗智能化监 管系统的具体应用。本文研制、开发一种具有记录发电车油量变化和出车班次、 出勤等基本信息的车载智能化微机监测系统，为准确计量和统计正常用油、杜绝 非营运性燃油损失提供一种新的科学监管手段，这对企业节支增效、强化内部管 理和铁路计划用油有重大意义。 1 2 油耗测量技术及其进展现状 燃油消耗是内燃机运行经济性的重要指标，因此人们一直在不断地探讨油 耗检测的手段和方法，根据油耗检测原理主要分为容积法、质量法、碳平衡法、 流量计法【1 1 。 1 容积法 容积法的原理比较简单，利用机械测量元件把流体连续不断地分割成单个已 知的体积部分，测量时逐次重复地充满和排空该体积部分流体的次数来测量流体 体积总量。适合测量高粘度，低雷诺数流体的总流量，流动状态对测量结果影响 较d , j z l 。 第1 章前言 2 重量法 重量法通过测量消耗一定重量的燃料所经过的时间，早期的测量是用天平和 秒表进行的，随着电子测量技术的发展油杯中的重量的减少可以用励磁电流来 表示【3 1 ，因此可以对不同重量的燃油进行计时测量。 3 碳平衡法 汽油的化学成分主要是各种碳氢化合物的混合物，通过测量一定条件下运转 时排气中的c 0 2 ，c o 及h c 的排出量，利用其含碳碳量与消耗燃油中的碳量相 同这一关系，通过计算即可得到燃油消耗量。碳平衡法对不同车辆、不同燃油品 质的测量结果误差一定，可以在车辆不解体的情况下间接地、快速地测量出油耗 【4 1 。碳平衡法测量中必须采集尾气排放总量，目前处理尾气总量的方法主要采用 c v s 定容取样系统1 5 】。这种采样方法对采样设备要求高，价格昂贵，系统庞大。 且不适用于车载动态测量系纠酬。碳平衡法的测量精度不高，不适用测量要求高 的场合。美日等发达国家在7 0 年代中期就对基于碳平衡法理论的汽车油耗测量 系统进行了大量的研究。但该测试系统设备庞大、复杂，无法实现快速检测。碳 平衡法油耗仪只能用在实验室中，难以实际推广应用。国内9 0 年代中期才开始 引进。少数几个大的科研单位从国外引进了一些相关设备，但主要用在测量汽车 尾气排放【7 】【8 1 。 4 流量计法 把流量的非电量转换为电量与二次仪表相连制成流量计，根据其测量原理可 分为容积式流量计、速度式流量计、节流式流量计、质量流量训9 1 。把流量传感 器安装在发动机的进回油管上测得燃油流量，进油减去回油就是发动机实际的燃 油消耗量。常用的传感器有压力传感器、涡轮流量传感器、涡街流量计、科里奥 利质量流量传感器等【1 0 l 。 随着电子技术的发展，燃油消耗测量开始向智能化方向发展。天津大学摩托 车技术中心陈同玲、朱维真【1 l 】等人采用单电磁阀控制和信号编码技术开发了容积 式自动测量油耗仪。浙江大学的裘正军、何勇【1 2 】基于重量法设计了以单片机为 核心的台架用发动机瞬时油耗测量系统。吉林大学的赵韩涛【1 3 】对碳平衡法油耗 测量进行了可行性研究。以上的油耗测量系统都是针对实验室测试用设备，所采 用的容积法、失重法都不适合现场使用。 常州技术师范学院的过幼南【1 4 】设计了一种利用i c 卡作为媒体进行数据双向 传送的g y - 1 内燃机车油耗记录管理系统；河北省科学院的燕延、石彦丛【1 5 】等人 对采用涡轮流量传感器和单片机组成的在运行中测量内燃机车油耗的智能化仪 2 第1 章前言 表系统进行了探讨；西安交通大学的曾科、王敏毅、王陈生【1 6 】设计开发了x z 3 型温度自动补偿的智能化瞬时油耗测量系统。 目前，国内生产的商品化油耗检测系统几乎都是台架用测试设备，而且大多 数都是基于失重法原理1 1 7 l ，如四川诚邦公司生产的e t 2 5 0 0 智能油耗仪；杭州奕 科机电技术有限责任公司生产i 拘f c m 系列油耗检测系统【1 8 】，汽、柴油通用，瞬 态测量频率1 h z 。众多商品化的油耗监测系统中累计油耗的测量精确度各厂商相 差不多，而瞬时油耗的频率大多停留在1 h z 的水平，且各厂商标出的精确度参差 不齐。 国外的燃油测量主要包括实验室台架用燃油测试设备、工业测量计量、个人 使用。日本小野公司和奥地利a v l 公司生产的燃油测试系统是国内内燃机试验台 架中应用最为广泛的油耗测试设备。小野公司的f p 2 1 4 型活塞式流量传感器，最 低采样时间为0 1 s ；最小油量分辨率为l m l ，传感器量程为0 3 1 2 0 1 3 1 1 t 1 9 】；a v l 7 3 0 、 a v l 7 3 3 系列电子燃油称是国内台架试验用的最多的油耗测试设备。a v l 公司的 7 3 3 型高精度的动态燃油称是一个悬挂在平衡系统上的量筒，它具有通常燃油箱 的功能，即向内燃机供油，缓和内燃机燃油系统的压力冲击，燃油中的气泡分离、 通气等。燃油消耗量值等于随时间变化的量筒重量下降值。利用新研制的、高灵 敏度电容传感器，非接触地测量量筒重量，使得油耗仪的精度大大提高。按 d i n 3 1 9 标准，其测量精度在耗油量为2 5 9 时提高到0 1 5 ，7 5 9 时提高到 o 1 2 。利用这种装置不仅可以在稳态试验台上测量内燃机的燃油消耗量，而且 还可以按世界范围内所有著名的汽车油耗试验模态的试验程序进行连续的测量 ( 即瞬时测量) 。在动态过程中，测量出的燃油油耗值与稳态特征线计算出的燃 油消耗值几乎吻合。a 最新开发的7 3 5 燃油质量流量仪测量精度在0 1 2 ，最高 测量频率2 0 i z 。 目前，国外最先进的工业用新型油耗测量系统已经突破了容积法、重量法的 测量范畴，而采用了高精度的流量传感器配以密度计以实现高动态、高精度、真 正实时的、连续的测量油耗。涡轮流量计可测量o 0 5 1 2 0 0 l _ m i n 的液体流量，在 标定条件下，精度可达0 5 ，响应时间2 1 0 m s 。美 雪p i e r b u r g 仪器公司的流量 计为涡轮流量仪的改进型，流量范围可从1i _ 1 1 起，响应时间为2 0 0 m s ，精度可达 士0 1 。美国的f i s h e r - r o s e m o u n t 是第一家将科里奥利原理应用到质量流量测量 的厂商，据资料表明目前科里奥利质量流量计测量瞬时油耗的频率可达到1 m h z 。 t c s 公司的c o m e t l 7 0 0 系列产品采用了科里奥利原理，燃油连续流动，测量仪 可以以数值或图像的形式输出，动态响应频率最高可达1 0 k h z 。我国的c m f ( 科 氏力原理传感器) 应用起步较晚，从8 0 年代中期开始引进成套装置，并进口少量 仪表。至u 1 9 9 7 年已有4 家制造厂自行开发c m f ，如太行仪表厂已有完整的t z l 系 3 第1 章前言 列。 国外的民用小型便携式油耗测量仪发展蓬勃，这类油耗测量仪的特点是，体 积小，精度不高，一般在2 左右，带有l c d ，可实时显示总油耗，累计里程， 短时间油耗测量也具有一定精度，测量原理则是五花八门，价格便宜。例如某公 司出品的f u 3 0 数字油耗测量仪，采用液位传感器测量油箱中油耗的变化来测量 油耗；e c o n e n 是芬兰一家公司生产的，和电控单元相结合，可以显示当前速度、 燃油消耗量、行驶里程等信息。这些个人用油耗测量仪，是能源紧张的产物。据 报道，使用这种油耗测量仪，实时记录油耗可改善司机的驾驶习惯，节省燃油 1 3 1 7 。 1 3 本文的主要研究内容 由于流量传感器测量流量具有方法简单、仪器体积小、观察直接等优点。并 考虑到本课题的实际应用情况、监测系统的工作环境、外部扰动和要求的测量精 度等因素，本文基于采用流量传感器进行油量变化的测量、现代微机监测和数据 处理技术与车辆实际营运模式的有机结合，综合分析与研究，开发出一种发电车 柴油机油耗智能化监测系统。具有瞬时油耗、累积油耗、油箱剩余油量计量功能 的随车便携式油耗监测系统。本文主要工作如下： 1 硬件设计 1 ) 根据油耗测量系统运行环境，分析系统输入输出信号，设计油耗监测系 统的硬件组成； 2 ) 从经济性可靠性出发选择合适类型的信号采集转换模块，根据各模块信 号的输入输出频率，匹配各模块的信号，建立油耗监测系统的硬件平台。 2 软件设计 1 ) 设计油耗测量系统的功能； 2 ) 划分各功能模块，进行模块化程序设计； 3 ) 分析流量传感器的特性，采用回归函数法回归出传感器的特性曲线方 程； 4 ) 用b o r l a n dc + + 3 0 和c + + b u i l d e r 5 0 编写应用程序。 3 系统合成 1 ) 软硬件相结合，系统试运行，修改系统中存在的问题，完善油耗监测系 统功能； 4 第1 章前言 2 ) 测定系统误差； 3 ) 分析系统误差： 4 ) 分析目前国内瞬时油耗测量中存在的问题。 1 4 本章参考文献 1 严兆大热能与动力机械测试技术北京：机械工业出版社，1 9 9 9 2 j 魏荣年，杨光升内燃机测试北京：国防工业出版社，1 9 9 4 3 沙占友内燃机测试仪器的原理与维修北京：国防工业出版社，1 9 8 5 4 t ca u s t i na n dk hh e l i m a n p a s s e n g e r c a rf u e le c o n o m y - t r e n d sa n di n f l u e n c i n g f a c t o r s s a e 7 3 0 7 9 0 5 李建纯，钟静芳，称昌妗汽车排放气体定容采样测试c f v c v s 系统的研究 6 杨延相，杜红，刘昌文等用于汽车道路行驶排放测量的车载实验系统长安大学学 报，2 0 0 2 ，2 2 ( 4 ) ：6 2 - 6 5 7 陈焕江汽车检测与诊断北京：机械工业出版社，2 0 0 1 9 8 刘仲国现代汽车检测与诊断北京：机械工业出版社，2 0 0 1 9 9 樊尚春，周浩敏信号与测试技术北京：航空航天大学出版社，2 0 0 2 1 0 孙传友，孙晓斌感测技术基础北京：电子工业出版社，2 0 0 1 1 1 陈同玲，朱维真，赫红等容积式油耗仪的油路设计与信号处理小型内燃机，1 9 9 8 ， v 0 1 2 7 ( 3 ) ：3 4 3 7 1 2 裘正军，何勇发动机瞬时油耗测量系统的设计2 0 0 1 ，v 0 1 3 3 ( 1 ) ：2 4 2 9 1 3 赵韩涛基于碳平衡法测量油耗的理论模型研究吉林大学硕士学位论文，2 0 0 3 1 4 过幼南g y 一1 内燃机车油耗记录管理系统常州技术师范学院学报，1 9 9 8 ，v 0 1 4 ( 4 ) ： 8 - 1 4 1 5 燕延，石彦丛内燃机车随车油耗仪的研制石家庄铁道学院学报，1 9 9 6 ，v 0 1 9 ( 4 ) ： 7 5 7 9 1 6 曾科，王敏毅，王陈生智能化瞬时流量油耗仪的研制仪表技术与传感器，1 9 9 5 ， v 0 1 ( 5 ) ：2 0 - 2 4 1 7 吴克刚，曹建明发动机测试技术北京：人民交通出版社，2 0 0 2 1 8 徐晓明，郑永光失重法智能化瞬时油耗测量仪的研究内燃机工程，1 9 9 9 ，v 0 1 ( 2 ) ： 8 1 8 3 1 9 燃油流量计株式会社小野测器 5 第2 章油耗监测系统分析 第2 章油耗监测系统分析 本文采用流量计法进行油耗监测系统的设计，在油路系统中的适当位置安装 合适型号的流量传感器，由这些安装的流量传感器收集流量信号，并通过一定的 方式将流量信号转化为微型机算计可处理的形式并传送给微型计算机进行处理， 同时将列车运行的基本信息也交由计算机系统。经过监测系统微处理器运算处理 的数据通过输出设备( 打印机、显示器) 输出列车上的工作人员需要了解的信息， 以便工作人员对燃油油耗及时的调整和处理。并对一段时间内的信息加以保存， 生成年度报表，用于今后运营计划的调整。 由于本项目成果将用于列车的实际运行当中，考虑到可靠性、经济性等多方 面的因素，必然需要在系统预期功能和工作可靠性、易操作性、可维护性、经济 性中找到一个平衡点。 2 1 油耗监测系统应用环境 发电车上的发电柴油机采用k t a l 9 g 2 康明斯柴油机，参数如表2 1 和表2 2 所示。发电车柴油机的转速基本保持不变，我国交流电的频率为5 0 h z ，因此发 点柴油机的转速一般都为1 5 0 0 r p m 。k t a l 9 一g 2 康明斯柴油机标定工况下的油耗 为2 2 2 9 k w h ，输出功率3 3 6 k w ，对应发电机组输出功率3 0 0k w 。 表2 1k t a l 9 g 2 康明斯柴油机发电机组技术参数 发电机组型号3 0 0 g f c m 机组功率 3 0 0 k w 3 7 5 k 机组电压 4 0 0 v 机组电流 5 4 1 a 机组频率5 0 h z 功率因数 o 8 ( 延时) 接线方式三相四线制 发电车厢内一般都备有三台发电机组，低中负荷情况下只有一台机组运行， 高负荷情况下两台机组同时运行，另外一台作为备用。发电车的油路情况如图 2 1 所示。 车厢下面两侧带有两个下油箱，两下油箱连通，其目的是为了增加储油量。 在其中一个下油箱上装有两台输油泵，通常情况下只有一台运行，其中一台作 6 第2 章油耗监测系统分析 表2 2 机组基本配置 发电机型号”上海革新马拉松”m p 3 0 0 k w 4 p 励磁方式无刷自励自冷却 调压方式自动a v r 柴油机型号”康明斯”k t a l 9 一g 2 汽缸数6 汽缸直径 1 5 9 m m 汽缸冲程1 5 9 m m 汽缸容量1 9 l 输出功率3 3 6 k w 转速1 5 0 0r m i n 柴油油耗 2 2 2 9 k w h 机油油耗 1 2 9 k w h 冷却方式闭式循环水冷却 启动方式电启动 为备用，当单泵输油不能满足发动机燃油耗要求或另一台输油泵故障时启动。车 厢内装有一个上油厢，输油泵把下油箱的油输送到上油厢，由上油箱的供油总管 分支供给各发电机组，上油箱的作用是为了增大油压，以免负荷突然增大输油泵 的供给能力不足，引起供油不足。兼有稳压作用。燃油经进油总管分别进入三台 机组，回油共用一根油管。燃油系统供油总管d n = 3 2 c m ( 1 英寸) ，各进油支管 d n = 1 5 c m ( 4 分管) ，回油总管d n = 2 0 c m ( 6 分管) 。上油箱内装有溢油管，以 维持供油压力的稳定。发电柴油机的实际油耗等于供油量减去回油量。 图2 。1 发电车燃油路示意图 7 第2 章油耗监测系统分析 康明斯发电机组采用p t 喷油泵，与之配套的活塞式输油泵在喷油泵凸轮转 动时，输油泵活塞在输油泵泵体内作往复运动，活塞式输油泵具有压力自调节功 能。本设计中发电机组的高压油路中存在回油( 泵喷嘴系统中没有回油，只用两 流过进油管的流量) ，喷油泵喷射后多余的燃油经回油管流入下油箱，这部分燃 油经过喷油器等热负荷高的燃油路系统后温度会有所增加，相应的压力也有所降 低。喷油泵前的燃油系统属于低压系统，其压力一般在0 1 5 0 3 6 m p a 。 发电车带有工业标准的2 4 v d c 电源，设计的油耗监测系统拟采用车载的 2 4 v d c 提供电源。车载2 4 v d c 电源为多种用电设备提供电源，大功率用电设备 的启闭会对电源电压产生很大影响【2 1 ，可能会引起燃油监测系统的正常工作。发 电车上的发电机采用交流励磁发电，强磁场会对流量传感器的输出信号产生较大 干扰。发电车在静止状态下，发动机运行时的振动已经很大，当实车运行时振动 会更大，大多数高精度流量传感器对振动干扰都很敏感。因此综合来说，本油耗 监测系统的设计中要仔细考虑电磁干扰和抗震性；因本设计要应用到实际当中， 同时还应考虑经济性因素。 2 2 监测系统预期功能 系统预期能够实现瞬时油耗、累计油耗、剩余油量的监测。能够保存一段时 间内的历史数据，并能够查阅、打印输出历史记录；可以把历史记录传输到地面 p c 上进行数据分析。以下6 点详细说明油耗监测系统的各项功能【3 j 【4 】【5 】【6 】： 1 累积流量、瞬时流量、剩余油量的计算显示功能 传感器输出信号为脉冲信号： q p 厂k ( 3 1 ) 式中： 口瞬时流量，g ； t q 。f p q d t ( 3 2 ) 0 q 累积流量，k g ； ，脉冲输入信号频率，h z ； k 脉冲输入传感器的仪表常数，次l ； p 被测液体的密度，吼。 油箱中的初始油量加上每次加油量的和减去累积消耗的燃油就得到了剩余油量： 8 第2 章油耗监测系统分析 s = j p ( s o + 叉+ s 2 + + ) 一q ( 3 3 ) 式中：s 剩余油耗，； s 油箱中的初始油量，l ； s 、s ，第一、第二次的加油量，l ； s 。第n 次的加油量，l ； q 累积油耗，k g ； p 被测液体的密度，k g l 。 2 数据存储及查阅 把油耗历史记录按时间顺序，写成文件，保存在存储设备上；能够根据用户 输入查询任意时间段内的的历史数据，并能打印输出查询记录。数据文件一次写 两份，其中一份作为备份，当数据文件被损坏时调用备份文件。 3 数据通讯功能 保存在流量仪表上的数据可通过串口或u s b 口输入到地面p c 机上，在p c 机上建立数据库，接收到的数据文件插入数据库，可以进行查询、打印、报表等。 4 断电保护 断电保护是可编成流量显示仪表的一项必不可少的功能，在主电源中断时， 能够延迟一段时间，关闭并保存数据文件，防止正在读写的文件没来得及保存而 被损坏，保护仪表的设定参数。 5 密码设置功能 如果想对仪表中预先设置的关键数据修改，须将指定的条目掉出来，然后键 入密码，并得到系统认可才能修改数据。但在设计中应提供一个“万能密码 ， 以防客户使用时忘记密码，导致仪器锁死。 6 面板清零功能 相当于复位按钮，系统重新初始化，各项数据重新从配置文件载入，油耗从 o 开始累积( 剩余油耗不能被清零) 。 2 3 方案设计 如图2 1 所示，柴油发电机组燃油消耗量等于，流经进油总管的燃油减去流 经回油总管和溢油管的燃油量。上油箱的溢油管中燃油时断时续，很难捕捉到。 实际上溢油管中很少有燃油流过，且上油箱重装有液位控制器，超过液位，电磁 9 第2 章油耗监测系统分析 阀控制断开输油泵停止工作，因此，溢油量非常小，可以忽略不计。在机组进油 总管和回油总管处各安装一流量传感器，测得进油量和回油量，其差值即为实际 的燃油消耗量。设计的发电柴油机组燃耗监测系统如图2 2 所示，其中的黑色方 块为流量传感器。 图2 2 发电车油耗监测系统图 根据以上对发电柴油机的燃油路以及工作环境的分析，下面对油耗监测系统 的硬件实现平台进行分析【7 】【8 】【9 】。首先系统中需要两支流量传感器计量流经进、 回油总管的燃油流量；流量传感器输出脉冲信号或模拟信号，脉冲信号需要一只 计数器或计数卡，模拟信号则需要a d 转换模块或一块a d 采集卡，计数卡、 佑黪罄1 传感器2 传皂器5 拶 羹 j 计 入 c d i l按 _ 1 数 p 键 游 卡u d o 厂 口 臻声弧 一 数季了 数 高精 缮 印 据艘盥 库 机 输流电 出 汤 图2 3 发电车油耗监测系统硬件设备基本框图 a d 采集卡只能插在主机内，根据现场情况，信号要经过较长的传输距离，干扰 性较强，因此采用外置的计数模块或a d 转换模块。计数模块靠近信号源，减 小信号输送距离，提高抗干扰性。r s 4 8 5 的抗干扰性优于r s 2 3 2 ，因此，数据采 集模块的输出信号通过r s 4 8 5 串口向c p u 传送数据。 1 0 第2 章油耗监测系统分析 要求油耗仪能够保存三年左右的油耗历史记录，因此需要一外存储器，由于 车上的环境恶劣，普通的物理硬盘抗震性较差，选用一电子硬盘来保存记录。系 统中没有数字输出，但是需要有输入，如若采用触摸屏则不需按键，但车上环境 较脏，触摸屏长时间使用后，积存油垢容易失灵。采用按钮实用性较好。按键数 字信号需要通过d i 板卡输入到c p u ，因此需要一块d i 卡。此外还需要电源、 端子板、显示器、打印模块等。根据以上分析画出系统的硬件设备的基本框图， 如图2 3 。 2 4 本章参考文献 1 陈家瑞汽车构造北京：人民交通出版社，1 9 9 3 2 李忠波，韩晓明电子技术北京：机械工业出版社，1 9 9 8 3 朱欣华，姚天忠，邹丽新智能仪器原理与设计北京：中国计量出版社，2 0 0 2 4 赵新民智能仪器设计基础哈尔滨：哈尔滨工业出版社，2 0 0 1 5 杨欣荣智能仪器原理、设计与发展长沙：中南大学出版社，2 0 0 3 6 卢胜利智能仪器设计与实现重庆：重庆大学出版社，2 0 0 3 7 杨振江智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用西安：西安电子科技大学出版 社，2 0 0 1 8 肖忠祥数据采集原理西安：西北工业大学出版社，2 0 0 1 9 孙廷才，王杰，孙中健工业控制计算机组成原理北京：清华大学出版社，2 0 0 1 1 1 第3 章系统硬件平台 第3 章系统硬件平台 3 1 流量传感器的选择 流量传感器包括质量流量传感器和体积流量传感器，只能测取流体体积流量 的传感器称为体积流量传感器。质量流量计又分为间接式和直接式。但是不管什 么样的流量传感器其都有一个测量范围，在这一范围内才能保证测量精度。流量 传感器是系统可靠工作的关键环节，因此要仔细审慎地选择【l 】【2 】【3 】。不同类型的 流量传感器价格差异很大，选择传感器时还要兼顾到经济性。 3 1 1 发电车用柴油油耗流量范围计算 k t a l 9 - g 2 柴油机额定功率p = 3 3 6 k w , 额定转速n = 1 5 0 0 r p m ，额定工况下 油耗2 2 2 9 k w h 。一般转速高于1 0 0 0 r p m 的高速柴油机都使用轻质柴油，由于我 国的地理位置因素大多使用0 号柴油，取柴油的常用密度为0 8 5 k g l 。理论计 算： 全负荷质量燃油耗瓯、体积燃油耗瓯： g 6 = 3 3 6 x2 2 2 = 7 4 5 9 2 g h = 7 4 5 9 2 0 k g h g 枷= g 6 r = 7 4 5 9 2 0 8 5 = 8 7 7 5 5 0l h ( 3 1 ) ( 3 2 ) 一般情况下柴油机输油量是油耗量的3 4 倍，输油泵流量( 体积) 瓯： 瓯= ( 3 - 4 ) 适当放大量程： g 0 = ( 2 5 4 5 ) g 0 得到： 瓯= ( 2 2 0 - 3 9 5 ) l h = ( 0 0 6 1 1 - 0 1 0 9 7 ) l s 对于本设计中的柴油机，输油量= 油耗量+ 回油量： m # o 。肌加+ 册加 式中： m f ，o - - - 单台柴油机运行时输油量质量流量，k g ； m 肋单台柴油机运行时燃油消耗量，k g ； 1 2 ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 第3 章系统硬件平台 m t o 单台柴油机运行时回油量，k g 。 考虑到全负荷工作情况出现机率非常小，如果接近全负荷运行时一般情况下 都会同时开两台机组。所以上限取在4 倍即可，下限适当放大到2 5 倍，单机全 负荷输油量： m # o = ( 2 5 - 4 ) 胁_ i o = ( 1 8 6 4 8 2 9 8 3 6 8 ) 磁h ( 3 7 ) 单机全负荷回油量： m h o = ( 1 5 3 ) m 加= ( 1 1 1 8 8 8 2 2 3 7 7 6 ) k g h ( 3 8 ) 双机同时开，输油量最大小矗。： m 詹一= 4 m 励x 2 = 5 9 6 7 3 6 0 k g h = 5 9 6 7 3 6 0 8 5 = 7 0 2 l h ( 3 9 ) 单机输油量最小值m 厅曲： 肌扫i i l i n = 2 5 m 加= 2 5 x 7 4 5 9 2 k g h = 2 1 9 3 8 8 l h ( 3 1 0 ) 双机同时开，怠速时回油量最大小历一： 肌i , m a x ：4 历加x2 ：5 96 7 3 6 k g h = 7 0 2 l h( 3 1 1 ) 单机全负荷时回油量最小m 胁缸： 胁细i n = 肌细i n 一所声一= 1 5 7 4 5 9 2k g h = 1 3 1 6 3 l h ( 3 1 2 ) 因此输油管传感器的测量范围为0 0 6 0 9 - 0 1 9 5 i s ，回油流量范围 0 0 3 7 - - 0 1 9 5u s 。 3 1 2 流量传感器的选择原则 有人调查美国装用着的1 0 0 0 余台流量仪表，发现约有6 0 所选择测量方法 不是最合适或者使用不正确，其中约6 0 虽然采用适宜的测量方法，却错误地 布置和安装。由此可见正确选择和使用流量仪表并非易事。传感器的选择原则总 的归纳起来有五个方面因素【4 1 ：即性能要求、流体特性、安装要求、环境条件和 费用。 1 性能要求的考虑 本文所设计的油耗监测系统主要目的是测量累计流量，并辅以瞬时流量，以 监测发动机工作是否正常，为车辆维护积累经验。车辆连续运行时间长，油耗监 第3 章系统硬件平台 测系统连续工作时间长。因此要求传感器有较高的测量精度和重复性。 考虑传感器精确性时还应考虑到整个系统不仅包括流量传感器的误差，还包 含有信号传输、控制调节、操作执行等环节的误差和各种影响因素，如果对测量 仪表确定过高的精确度是不合理和不经济的。就流量仪表本身而言，检测元件( 或 传感器) 和转换显示仪表之间的精确度应适当确定。 仪表的重复性是指环境条件、介质参数等不变得的情况下，对某一流量值一 段时间内同方向进行多次测量的一致性。实际应用中仪表的一致性往往受到流体 物性变化的干扰，然而这些因素还未达到需要专门检定的程度，因此在选择流量 传感器时，高重复性场所不要选择对这些参数敏感的仪表。 柴油发电车用柴油机的负荷会有较大变化，流量也会有较大变化，因此要 求传感器在较宽的流量范围内有较好的线性度。尤其是对于宽流量范围内脉冲输 出用作总流量计算的仪表，线性度是一个重要指标，线性度差就要降低仪表精确 度。 涡轮流量传感器流量测量范围对其重复性及使用期限有很大影响。应根据实 际测量的流量范围确定，尽可能使测量的流量位于传感器的线性区域内。一般来 说工作时最大流量下叶轮转速不易过高。每天工作时间在8 h 以上，属于连续工 作，对于连续使用的场合，其检测的最大流量应选在仪表上限流量的7 0 【5 1 。发 动机负荷变化供油量变化，这就要求流量传感器有较大的范围度，选用传感器应 尽可能使要测量的流量上下限范围都落在传感器的线性范围内。 通常流量传感器都在流动通道设置活动的检测元件，产生随流量而变的不能 恢复的压力损失，其值有时高达数十千帕。柴油机的供油系统对供油压力有严格 的要求，所选择的传感器压力损失不能太大，过大的压力损失严重时会导致柴油 机供油系统工作不稳定，燃油输送耗能增加，整个系统的泵送运行费增加。 2 流体特性的考虑 各类流量传感器总会受到流体物性中某一种或几种参量的影响，所以流体的 物性在很大程度上支配着待选传感器的型式。通常流体的温度、压力、密度、粘 度、腐蚀性等对传感器的测量精度有着重要影响1 6 1 。 温度或压力变化可能会造成较大的流动特性变化而影响测量精确度。此外， 流量仪表外壳的结构设计和选用材质也决定于流体的温度和压力，对于温度、压 力范围变化大的被测流体，要仔细考虑这些影响。 大部分液体的密度相对恒定，除非温度便变化范围很大( 超过1 0 0 。c ) 一般 不需对密度进行温度修正。 流量传感器的性能往往随着雷诺数而变，雷诺数与流体粘度有关。粘度对不 同类型的流量传感器的影响趋势各异，对于涡轮式和涡街式流量传感器粘度增加 1 4 第3 章系统硬件平台 范围度缩小。 本设计中柴油的压力变化不大，且对流体的物性影响较小，温度变化也不是 很大，般不超过6 0 c 。0 号轻柴2 0 时运动粘度在3 0 8 0 m m 2 s 。柴油无腐 蚀性，有一定润滑性。传感器安装在低压油路，油温也不高，油路中不会出现气 化现象，燃油处在连续的单相流动状态。 3 安装要求的考虑 不同原理的流量传感器对安装要求差异很大，有的需要上下游直管段，以保 证仪表进口前流动达到充分发展。还应考虑到维护空间，管道布置等因素。 4 环境条件的考虑 选择传感器的过程中还应考虑其使用的环境条件及其预期变化。如温度、湿 度、安全性、电器干扰等。 5 经济性考虑 经济方面只考虑仪表的购置费是不全面的，还应调查其他的费用，如附件费、 安装费、维护和流量校验费、运行费和备用件费用等。 3 1 3 目前市场上的流量传感器类型 流量传感器种类繁多，其中某些类型的流量传感器应用历史悠久，实践中积 累了丰富经验。下面介绍几种市场上常见的流量传感器。目前工业中在用的流量 测量主要分为四大类： 1 利用伯努力方程原理来测量的流量计 若在流体流过的管道中安装一个使流通截面缩小的节流件，则流体流过该截 流件时，会在截流件前后产生静压力差ap ，截流件处的流通截面积a 和流体密 度p 一定，则流体的流量与截流件前后压差的平方根成正比。 利用伯努力原理测量的流量计主要有转子流量计、节流流量计、靶式流量计 等。节流流量计是目前工业个部门应用最广泛的一类流量计，约占整个流量仪表 的7 0 。其优点主要有：( 1 ) ；f l 板式流量计结构牢固，性能稳定可靠，使用寿命 长；( 2 ) 应用范围广泛，至今尚无任何一类流量计可与之相比拟；( 3 ) 检测件与变 送器、显示仪表分别由不同厂家生产，便于规模经济生产。缺点主要有：( 1 ) 测 量精度普遍偏低；( 2 ) 范围度窄，一般仅3 ：1 4 ：1 ；( 3 ) 现场安装条件要求高；( 4 ) 压损大( 指孔板、喷嘴等) 。 1 5 第3 章系统硬件平台 2 速度式流量计 通过测量流速得到流量的称为速度式流量计，近年来发展迅速，典型的和常 用的有涡轮流量计、涡街流量计、电磁流量计、超声波和热式流量计等。 涡轮传感器在一定的流量范围内叶轮转速与流体的体积流量成正比，如果已 知测量传感器的脉冲信号频率为厂和某一段时间内的脉冲总数时就可以求出 瞬时流量和累计流量。涡轮流量计的产品已形成了多品种、多系列批量生产的规 模。其主要优点有：( 1 ) 精度高，在所有流量计中，属于最精确的流量计；( 2 ) 重复性好；( 3 ) 无零点漂移，抗干扰能力好；( 4 ) 范围度宽；( 5 ) 结构紧凑。缺点： ( 1 ) 不能长期保持校准特性；( 2 ) 流体物性对流量特性有较大影响。 涡街流量计是在流体中垂直插入一个非流线型的对称形状的柱体，当流速大 于一定值时，在柱体两侧产生两排旋转方向相反且交替出现的漩涡。伴随着漩涡 的产生，在柱体周围和下游的流体产生有规律的振动，其振动频率厂与流速成正 比，只要检测出漩涡的频率求得流量。其主要优点有：( 1 ) 结构简单牢固；( 2 ) 适 用流体种类多；( 3 ) 精度较高；( 4 ) 范围度宽；( 5 ) 压损小。缺点：( 1 ) 不适用于低雷 诺数测量；( 2 ) 需较长直管段；( 3 ) 仪表系数较低( 与涡轮流量计相比) ：( 4 ) 仪表 在脉动流、多相流中尚缺乏应用经验。涡街流量计是属于最年轻的一类流量计， 但其发展迅速，目前已成为通用的一类流量计。 电磁流量计不与流体接触，采用在管外测量流体速度的方法，几乎对管内的 流动不造成影响。但要求被测流体有一定的导电性。 超声波在流体中的传播速度会随被测流体速度变化而变化，测出一定距离内 的传播时间差即可得到流体的流速。其主要优点有：( 1 ) 可做非接触式测量；( 2 ) 测量时无流动阻挠，无压力损失；( 3 ) 可测量非导电性液体，对无阻挠测量的电磁 流量计是一种补充。缺点：( 1