（控制理论与控制工程专业论文）基于流量差法的内燃机车油耗实时计量装置的研究.pdf

中文摘要 随着国民经济的发展，能源消耗也越来越多。我国的铁路系统，铁路运输能 耗成本支出约占运输成本总支出的百分之二十。而内燃机车的燃油消耗是铁路系 统运输成本的主要部分。为了提高燃油的利用率，减少浪费，合理使用，对燃油 的控制、管理急需高精度的测量仪器来实现。本文中的内燃机车燃油实时计量装 置能够随时提供内燃机车柴油机的油耗量，计量准确、操作简单，具有高精度、 高可靠、高方便性的特点。 内燃机车的油耗测量难度在于流量比较大，而油耗却比较小，典型的“大流 量小消耗”测量。这不单单需要进油和回油两路管路都要精确计量，还需要基于 流量差法的油耗计量的精确度也要非常高。文中提出从适合实际流量的窄量程范 围标定仪表系数更科学。利用称重法在实验室的水流量标准实验装置上做了大量 实验，计算数据表明按窄量程标定仪表系数的涡轮流量传感器线性度和重复性更 好。内燃机车上电后空打燃油泵时，进油流量等于回油流量，据此设计了仪表系 数校正方案，提高了油耗实时计量装置的测量精度。 内燃机车上电磁环境复杂，需要燃油实时计量装置具有很强的抗干扰能力。 文中根据国军标g j b z2 9 9 b 9 8 对关键易坏元件电阻器、电容器、光电耦合器等 做了失效率分析，采取降额设计提高装置的可靠性。软件上也采用了四重冗余编 码纠错设计，即使数据出错，也能对重要数据备份进行自救；设计了一键恢复仪 表系数功能，方便了工作人员的使用和后期维护。 关键词：内燃机车仪表系数校正涡轮流量传感器油耗可靠性 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m y e n e r g yc o n s u m p t i o nh a sb e e n i n c r e a s i n g i nc h i n a sr a i l w a ys y s t e m ，e n e r g yc o n s u m p t i o no fr a i lt r a n s p o r tc o s t s - a b o u t2 0p e rc e n to ft h et o t a lt r a n s p o r te x p e n d i t u r e a n dt h er u e lc o n s u m p t i o no fd i e s e l l o c o m o t i v ei st h em a i np a r to ft h et r a n s p o r t a t i o nc o s ti nr a i l w a ys y s t e m i no r d e rt o i m p r o v ef u e le f f i c i e n c ya n dr e d u c ew a s t e ，h i g h - p r e c i s i o nm e a s u r i n ge q u i p m e n t u r g e n t l yn e e d e d t ob ea c h i e v e d 1 nt h i s p a p e r t h er e a l t i m e o i l c o n s u m p t i o n m e a s u r i n ge q u i p m e n ti nd i e s e l l o c o m o t i v e sc a nr e a d i l yg e ta v a i l a b l ef u e ic o n s u m p t i o n o ft h ed i e s e le n g i n ew i t ha c c u r a t em e a s u r e m e n ta n ds i m p l eo p e r a t i o n 。a n di th a st h e a d v a n t a g e so fh i g h - p r e c i s i o n ，h i g h r e l i a b i l i t y ，h i g h - c o n v e n i e n c ef e a t u r e s t h ed i f f i c u l t yo fo i lc o n s u m p t i o nm e t e r i n gi nt h ed i e s e l l o c o m o t i v ec o n s i s t si n r e l a t i v e l yl a r g e rf l u xb u tl i t t l ec o n s u m p t i o n t h et y p i c a l ”l a r g e f l o w r a t es m a l i c o n s u m p t i o n ”m e a s u r e t h i sn e e d sn o to n l yt om e a s u r eo i lf l o w r a t ea c c u r a t e l yi nt w o p i p e l i n e s b u ta l s ot om e a s u r et h eo i lc o n s u m p t i o nb a s e do nf l u xm a r g i nm e t h o dw i t h h i g h e rp r e c i s i o n i ti sm o r es c i e n t i f i ct h a tt h ef l o w m e t e ri sc a l i b r a t e di nn a r r o w - r a n g e n e a rt h ea c t u a lf l o w i n g al o to fe x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n eu s i n gt h em e t h o do f w e i g h tb a l a n c ew i t hs t a n d a r de x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fw a t e rf l o w ，a n dt h ed a t a i n d i c a t et h a tl i n e a r i t ya n dr e p e t i t i v e n e s so ft h et u r b i n em e t e ri sb e t t e ru n d e r n a r r o w r a n g et h a nu n d e rw i d e r a n g e t h er e t u r n o i lf l o w i n ge q u a l st oe n t e ro i l f l o w i n gw h e nt h ef u e lp u m pw o r k sb u tn oo i lc o n s u m p t i o n a c c o r d i n gt o t h i s p r i n c i p l e ，t h ep r o j e c t i s d e s i g n e d t o a d j u s t m e t e rf a c t o ra n dt h ee q u i p m e n t s m e a s u r e m e n tp r e c i s i o ni si m p r o v e d t h er e a l - t i m eo i lm e a s u r i n ge q u i p m e n tm u s th a ss t r o n ga n t i - j a m m i n gc a p a b i l i t y o na c c o u n to fc o m p l e xe l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n ti nd i e s e ll o c o m o t i v e s i n a c c o r d a n c ew i t ht h eg j b z2 9 9 b 9 8 ( r e l i a b i l i t yp r e d i c t i o nh a n d b o o kf o re l e c t r o n i c e q u i p m e n t ) ，t h ef a i l u r ea n a l y s i so fk e yc o m p o n e n t s ，s u c h a s r e s i s t o r s ，c a p a c i t o r s ， o p t o c o u p l e ra n ds oo n i sd o n e t h ee q u i p m e n t sr e l i a b i l i t yi si m p r o v e dw h e nt h e p r o j e c td e s i g nt a k e sd e r a t i n go fc o m p o n e n t t h eq u a d r u p l i c a t er e d u n d a n tc o d ed e s i g n i sa d o p t e di ns o 脚a r es y s t e m i tc a nb a c k u pk e yd a t aa n ds a v ei t s e l fe v e ni ft h ed a t ai n m e m o r ya r ed e s t r o y e d t h ed e s i g no fo n ek e yr e s t o r i n gm e t e rf a c t o ri sc o n v e n i e n tf o r w o r k e r c o n t r o la n dm a i n t e n a n c e k e yw o r d s ：d i e s e ll o c o m o t i v e ，m e t e rf a c t o r ，c o r r e c t i o n ，t u r b i n ef l o ws e n s o r ，o i l c o n s u m p t i o n ，r e l i a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：席易1 三寺签字日期 刎乎年2 月2 莎目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者答名：力 专弓 签字日期：上驴口g 年2 月2 - 6 同 导师虢孙呖 签字r 期：矽眸纱月么多同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 在全球能源危机日趋严重的今日，如何减少能源消耗和浪费是世界普遍关注 的焦点问题。随着国民经济的发展，我国的能源消耗也越来越多，各种能源的价 格也是节节攀升。这就要求各部门单位对能源要节约利用，有效管理。 在我国的铁路系统，铁路运输能耗成本支出约占运输成本总支出的百分之二 十1 1 1 1 2 i 。特别是内燃机车的燃油消耗是铁路系统运输成本的主要部分，受国际油 价上涨因素的影响，对运输成本的影响更为显著。仅在2 0 0 0 年国家柴油价格就 先后上调了7 次，由年初每吨2 5 0 0 元提高到3 2 0 0 元，到2 0 0 6 年中期更是涨到 了5 0 0 0 元吨以上! 油价的上升造成铁路局燃料消耗成本的大幅度增长，是铁路 局运输成本增长的主要因素之一。若能够采用科技手段，记录机车柴油机燃烧情 况，改善柴油机热工状态，加强柴油消耗的管理，建立约束激励考核机制，特别 是从根本上解决机车乘务员按班考核，进而达到促进机车乘务员机车操纵水平的 提高，实现增运增收节支的目的。现行各机务段在对机车乘务员担当任务的燃油 消耗量的管理考核上，缺乏必要的科学手段，只能按机车组进行考核，不能实现 按班考核。且在机车乘务员交接班过程中办理交接油时，只能靠眼睛观测，凭经 验估计大概用油量，尚无较精确的客观计量依据。而目前内燃机车的燃油箱油标 尺刻度线以1 0 0 升为单位，小于1 0 0 升的变化仅凭用肉眼观察无法达到必要的精 确度，因此无法准确计算出每趟列车的乘务班实际的燃油消耗。由于机车停靠位 置的差异性，从机车燃油箱油位标尺观察的燃油误差最大可达3 0 0 多升，油耗量 的计量极不准确。因此亟待提高机车燃油耗油量管理的技术水平，开发研制随车 燃油实时计量装置，在机车运行中随时提供内燃机车柴油机的油耗量，为机务部 门的燃油消耗管理提供客观依据，为实现增效节支提供有效的管理手段；同时也 便于掌握机车热力状态，为有针对性地开展维修工作提供科学依据，为机务部门 实现机车维修制度改革，改“定期检查范围修”为“定期检查状态修”，即按需 维修提供重要的监测手段。 柴油机燃油系统进油管路中的燃油并没有完全燃烧掉，除了一部分成为废油 外，相当多的燃油通过回油管路返回到油箱。要实现内燃机车燃油消耗量的准确 计量，关键是要解决柴油机燃油系统“大流量小消耗”的精确计量问题。不但进 油、回油要达到高精度测量，两者之差油耗的计量精度也要非常高才能够具 有实用价值。同时计量装置的操作要简单易用、容易上手，具有较强的抗干扰能 第一章绪论 力，并且能够适应内燃机车复杂的电磁环境。内燃机车油耗实时计量装置就是基 于此背景下研制的，它的研制充分体现了“高精度性、高可靠性、高方便性”的 “三高”特性。 1 2 国内外研究现状 由于内燃机车柴油机的燃油消耗的测量在实际工作中非常重要，国内外很多 专家学者都对它作了大量的实验和研究，研究方法多见于专利和期刊中。查阅各 种资料，总结归纳起来主要有如下几种测量方法： 1 用电子天平原理和重量法对油耗量进行测量。技术关键为精确测量油耗时 间和耗油重量，时间测量应用微机控制，采用高精度的晶振和脉冲分频计时 ( c t c ) ，测量精度不低于1 0 4 秒，重量测定采用天平原理和“单光点”的光电发 讯器，保证天平在二次不同重量的平衡时刻能在同一水平位置发出光电讯号，从 而提高了重量测定的精度。此设备的本身精度为0 1 ，系统精度0 2 1 3 i 。 此设备不作为随车燃油计量检测装置，不具备随车测量的功能或者采集信号 传输处理进行计量的能力。只适用于机车工厂和机务段的内燃机车地面性能测试 时使用，对于运行过程中的内燃机油耗计量无能为力，并且价格较高( 当时约2 万余元) 。 2 前苏联客运内燃机车上采用液位计式远距离油位指示器，由小油箱风管、 两通阀、节流器、过滤器、针阀、塞盖、燃油表小油箱、油箱、油箱风管、从制 动风管来的空气、三通阀等设备组成。用玻璃管液位计实时指示油箱油位，指示 精度( 6 2 5 ) ，指示范围0 8 0 0 0 升，刻度值为5 0 0 升，并不具备信号处理及信号 远传功能1 4 1 。 。 该设备精度不高，对于两个班组交接时的燃油计量误差太大，油耗的详细归 属班次不明确，不能真正作为高精度的燃油计量仪器使用。 3 利用间接参数测量，通过计算公式计算得到柴油发动机的燃油消耗率。发 动机使用中的燃油消耗率( g ) 由公式g = b f ( r ，n ) 7 船计算得到。其中阿 为运行中柴油发动机的输出；为发动机转速；尺为燃油控制标尺位置；单位时 间的燃油输入量是预先得到的，它是关于r ，的函数f ( r ，n ) ；b 为系数；y 为 燃油比重1 5 j 。 本方法通过测量其他的间接量计算得到燃油消耗量，这将增加传感器的数量 和装置处理的复杂程度。对于内部使用的调度机车，经常走走停停，柴油机各物 理量都在变化，采集各参数信号后进行处理，误差叠加使得累积误差就更大了。 在没有考虑温度对燃油比重的影响情况下，不能保证测量精度的要求。 4 测量内燃机车燃油管路中流量的流量表通过发射激光束超声波测量 第一章绪论 安放在燃油管道中的叶轮的转速得到燃油流量1 6 i 。 内燃机车频繁、强烈的振动环境，对于激光和超声波的传送过程有很大影响， 因此这种情况下不能用激光束与超声波测量叶轮的转速。 5 内燃机车油耗记录仪：本油耗记录仪是利用微型计算机技术来记录和测 定机车油耗量的装置，由一次仪表、二次仪表和电源逆变器三部分组成。一次仪 表采用涡轮流量传感器，安装在柴油机旁的进油和回油管中；二次仪表为电脑智 能仪表，由单片机系统完成流量信号输入后运算和输出、显示功能；电源逆变器 采用脉宽调制隔离稳压电路，是一次仪表和二次仪表的电源1 7 1 。 该设备计量油耗时没有考虑温度的影响，进油和回油管中的燃油密度不同， 仍按涡轮的频率计算流量会形成比较大的误差。 6 确定柴油机燃油消耗的方法和实现这个方法的设备有一个注油泵和最少 一个注油嘴，该注油嘴通过油管与其他注油嘴相连。测量注油泵产生的油压脉冲， 把它转换为电气参数作为时间函数。该参数由电路板输出到可编程的微处理器， 微处理器补偿只依赖速度而产生的误差1 8 i 。 这将增加特殊的设备，增大复杂性。 测量柴油机油耗的设备和方法还有很多1 9 1 1 1 0 1 1 1 1 i ，综合各种油耗测量设备的方 法，有直接测量法，有间接测量法，有的需要进行温度补偿，有的需要附加设备， 有的利用液位测量，有的利用称重法测量，等等。但是，任何一个方法都不是尽 善尽美的，也不是完全都适合内燃机车上的使用。众所周知，内燃机车的振动很 强烈，液位测量位置与停车位置有关，燃油管路大多是1 5 m m 的小口径输油管， 燃油流量大，油耗很小，进油回油温度不同需要考虑温度补偿等等。对上述方法 取长补短；可采用涡轮流量传感器的宽量程特性，应用温度传感器测温对柴油进 行密度补偿，确保油耗计量装置的高精度；基于可靠性技术研究设计高可靠的流 量积算仪用于对柴油的油耗计算和数据处理；设计界面友好，操作简单。这样具 有高精度、高可靠、高方便使用的油耗计量装置才更适用于内燃机车上的实际应 用。 1 3 课题研究的主要内容及创新点 本课题研究的主要内容有： 1 在天津大学过程检测和控制实验室的“水流量标准实验装置0 2 ”上利用 称重法标定涡轮流量传感器的仪表系数，并且根据实验数据内容判断结论“选择 适合实际流量工作点附近窄量程范围标定的涡轮流量传感器仪表系数更准确，涡 轮的线性度和重复性更好，进而能够提高整机的精确度 的正确性。 2 对流量传感器的选择和使用作了较为详细的阐述，根据内燃机车自身的特 第一章绪论 点( 空打燃油泵时，进油管路燃油流量等于回油管路燃油流量) 设计了仪表系数 校正方案，提高油耗实时计量装置的测量精度。 3 根据国军标g j b z2 9 9 b 9 8 对关键易坏元器件电阻器、电容器、光电耦合 器等做了失效率分析，采取降额设计提高装置的可靠性，从基础的硬件入手构建 平稳可靠运行的系统。 4 对硬件和软件方面的抗干扰措施从可靠性的层面上进行了阐述，对重要的 数据采用了四重冗余编码纠错设计，即使数据出错，也能对重要数据备份进行自 救，使得本装置在内燃机车的复杂电磁环境中也能正常工作、可靠运行。 5 设计了一键恢复的功能，即使校正后的仪表系数被破坏也能轻易修改回 来，还原原始仪表系数，方便了工作人员的使用和后期维护。 创新点有： 1 针对马鞍山钢铁股份有限公司的内燃机车燃油流量范围，研究了油耗实时 计量装置中涡轮流量传感器仪表系数的检定，适合实际流量窄量程标定的仪表系 数具有更高的准确度。 2 研究了内燃机车油耗实时计量装置中电阻器、电容器、光电耦合器等易坏 器件的失效率分析，通过降额设计保证装置的高可靠性。 3 软件系统中设计了一键恢复功能和四重冗余编码纠错方案，提高了装置的 方便性和可靠性。 第二章油耗实时计量装置总体设计 第二章油耗实时计量装置总体设计 考虑到使用本装置的工人状况、复杂的工作环境以及实用的精度目标，在内 燃机车随车油耗实时计量装置的设计过程中主要从以下几点出发： 1 了解内燃机车柴油机的构造和燃油系统的工作流程，充分降低因为柴油机 “大流量小消耗”特性带来的计量误差，提高进油和回油管路燃油流量的测量精 度，采取对燃油计量进行温度补偿的算法，选用高精度的涡轮流量传感器，对涡 轮流量传感器的仪表系数检定进行优化，使之更能适合内燃机车窄量程流量范围 的计量应用。根据内燃机车特有的操作规程，在上电后空打燃油泵的时刻对仪表 系数进行校正，以减小对燃油油耗的测量误差，提高整机的测量准确度，充分体 现装置的高精度特点。 2 内燃机车上常伴有大型电气设备的启动和停止，由此产生的浪涌电压使得 电源电压极不稳定，电磁环境非常恶劣。为防止干扰噪声对信号采集和单片机系 统的影响，硬件上可采用屏蔽技术、接地技术、滤波技术和信号隔离技术，搭建 典型电路，选用典型器件，构建具有强抗干扰能力的硬件系统。同时在软件系统 中采用滤波算法、指令冗余、软件容错技术，充分发挥软件抗干扰的灵活性。硬 件设计和软件设计上采取有效的抗干扰措施，避免出现系统崩溃或者测量误差偏 大的情况，充分体现装置的高可靠性。 3 考虑到工人对新事物不易接受，出现故障不易维修的情况，制定的功能目 标要明确，不追求繁多复杂，重在简单实用。整机要求构造简单、原理易懂，使 用方便、容易操作，界面友好、安装调试简单，充分体现装置的高方便性。 本章及以后各章节均是针对供马鞍山钢铁股份有限公司使用的内燃机车油 耗实时计量装置论述的。该公司内燃机车车型主要是d f 7 c ( 1 2 缸2 4 0 ) 、g k ( 1 2 缸1 9 0 ) 和g k ( 6 缸2 4 0 ) ，本文主要针对配备济南柴油机厂生产的1 2 缸1 9 0 型 柴油机的g k 0 0 7 2 号内燃机车进行讨论。 2 1 柴油机、柴油、柴油机燃油系统简介 为了使内燃机车油耗实时计量装置的设计更合理，更能适用于复杂的工作环 境，需要对被测流体介贡一柴油加以了解。同时，也需要对承载、消耗柴油的 设备柴油机做一个简要介绍。 2 1 1 柴油机简介 第二章油耗实时计量装置总体设计 柴油机是一种以柴油为燃料，并在发动机内部燃烧的活塞式热力发动机。柴 油机具有体积小、重量轻、机动性能好、功率和转速范围广，配套方便、造价较 低廉、使用经济性好以及使用维修方便等优点，在动力机械中占有极为重要的地 位。 内燃机车的燃油消耗情况是用油耗率来表示的，油耗率等于燃油消耗量与输 出功之比，其单位为觚觋。内燃机车运用中的利用效果最重要的指标是内燃机 车柴油机的燃油运用消耗量和可靠性。而有效燃油消耗率是柴油机的主要性能指 标的一种。柴油机每发出l k w ( 也有用1 马力计算的) 有效功率，在1 五内所消耗 的燃油量( 称为有效燃油消耗率( 简称比油耗) 。比油耗可按下式计算： g 。= 导1 0 3 g k w 卅 ( 2 一1 ) v 。 式中：g ，为柴油机每小时的燃油消耗量，单位为堙 ，可由柴油机台架试验中 测得。 2 1 2 柴油简介 柴油机以柴油为燃料。柴油的化学成分为碳8 7 ，氢1 2 5 1 2 6 ，氧0 4 o 5 ，是一种碳氢化合物，其分子量在1 8 0 - - 2 8 0 之间，柴油的沸点约为2 5 0 - - 3 6 0 。 机车柴油机采用轻柴油，柴油的物理性能和化学性能对柴油机的起动运转性 能以及燃烧供给系统的工作和寿命都有影响。 2 i 3 柴油机燃油系统 马鞍山钢铁股份有限公司的g k 0 0 7 2 号机车配备的是济南柴油机厂生产的 z 1 2 v 1 9 0 b 系列柴油机。图2 1 为z 1 2 v 1 9 0 b 系列柴油机燃油供给系统图0 1 2 1 1 1 3 1 。 1 9 0 系列柴油机燃油供给系统主要由输油泵3 、燃油滤清器l 、喷油泵5 、喷油器 8 、调速器6 、喷油泵传动装置4 和燃油管系等组成。 燃油自燃油箱经油管与软管接头2 相连进入系统，由输油泵压送到燃油滤清 器，滤清后进入喷油泵。经喷油泵提高其压力，按不同工况所需的供油量和一定 的供油顺序，依次定时的将燃油送入各缸喷油器，经喷油器喷入燃烧室。 燃油供给过程中，喷油泵和燃油滤清器内多余的燃油，经回油管又重新回到 输油泵进油管。而各缸喷油器内多余的燃油，则由喷油器回油管收集起来，但不 再回到系统中去，由软管引出自行收集。此部分燃油也应算作总损耗的一部分， 不能再正常使用。 第二章油耗实时讣量装置总体设计 # 自* t2 # * # ；3 一# q * * * 自t5 t 扣# # 7 一 e * f # # 图2 - 1z 1 2 v 1 9 0 b 系列柴油机燃油供给系统图 图22 内燃机车燃油系统示意图 第二章油耗实时计量装置总体设计 与其他单管路液体流量测量场合不同的是，内燃机车的油耗需要对进油和回 油两个管路的燃油流量进行测量，通过安装在两管路上的流量传感器得到进油和 回油管路燃油的流量，取两者之差，即为油耗。流量传感器安装的位置见图2 - 2 内燃机车燃油系统示意图。 2 2 油耗实时计量装置总体设计 通过内燃机车柴油机燃油系统的介绍可知，精确测量油耗的根本是把进油和 回油管路的燃油流量进行高精度测量，然后利用流量差法得到瞬时油耗1 1 4 i 。 受工作状态、环境温度、行车速度等因素的影响，柴油机燃油系统进油管道 里面的燃油温度和回油管道里面的燃油温度相差很多，温度的差异导致进油管道 和回油管道里面的柴油密度不同，直接利用体积差来表示油耗极不准确。下面进 行误差分析： 根据“g b l 8 8 5 8 3 ，的标准体积公式可得到柴油体积换算公式1 1 5 i ： q 2 0 = q f 1 一c ( t 一2 0 ) 】 ( 2 - 2 ) 式中：q 2 。柴油2 0 c 时的体积，也称为标态体积； f 柴油温度； q 柴油在t 时的工况体积； c 柴油体积温度系数。 柴油密度为o 8 4 k g l 时，c = 0 0 0 0 6 8 ，设t = 5 0 ，代入公式( 2 - 2 ) 得： q 2 0 = 【l 一0 0 0 0 6 8 ( 5 0 2 0 ) q t = 0 9 7 9 6 q , ( 2 3 ) q = 1 0 2 0 8 q 2 0 。( 2 4 ) 从公式( 2 - 4 ) 可见，如果不对进油和回油管道里的燃油进行温度体积补偿， 则会带来2 的误差。显然这个误差太大了，不能满足装置测量高精度的要求， 需要对进油、回油管道内的油温进行测量，补偿因温度变化带了的计量误差。所 以除了流量传感器采集的两路流量信号以外，还需要温度传感器采集两管路燃油 的温度信号，对流量进行温度补偿处理。 综合上述可知，内燃机车油耗实时计量装置的总体设计应该包括以下几部 分： 1 内嵌温度传感器的涡轮流量传感器( 为何选择涡轮流量传感器见第三章) 。 负责进油和回油管道内燃油的流量信号和温度信号的采集。涡轮采用的是天大泰 和自控仪表有限公司生产的高精度l w g y - 1 5 型涡轮流量传感器，内嵌的温度传 感器是美 虱d a l l a s 生产的单线数字温度传感器：d s l 8 8 2 0 1 1 6 1 1 1 7 1 1 1 8 i 。 第二章油耗实时计量装置总体设计 2 智能流量积算仪。负责对流量信号和温度信号进行运算、处理和分析，得 到进油和回油瞬时流量、瞬时油耗、温度信号等，并将重要数据显示出来或者传 送出去。流量计算公式为： 磊= 丽3 6 五0 0 x 石f 石( l h ) ( 2 5 ) 式中：瓯瞬时流量( 培， 或l h ) ； ，涡轮流量传感器的信号频率( h z ) ； p 介质密度( 姆i l ，取l 时q 为质量流量 取o8 5 时q o 为体积流量) ； 血燃油温度与标定温度间的差值( ) ： 石仪表系数( 1 k g ) ； 涡轮流量传感器的温度修正系数( 1 ) 。 设q 为实际耗油量，9 为进油管道燃油流量8 为回油管道燃油流量，修 正后得标态下( 油温为2 0 ) 的体积流量分别为鲸、蜴。，则实际耗油量： q = 珐o - 一g o ： ( 26 ) 流量积算仪采用的是天大泰和自控仪表有限公司生产的x l f 6 0 型智能流量 积算仪。 3 手操器。用于置八系统的时间、涡轮流量传感器仪表系数k 和温度修正系 数e 、燃油密度p 等参数以度给出仪表系数进行校正的信号、恢复仪表系数的信 号等。 内燃机车油耗实时计量装置构成如图z 一3 所示，涡轮流量传感器安装位置如 图2 2 所示，智能流量积算仪安装位置如图2 - 4 所示。 _ = = 屯垂亟孓一 - _ r 丽i i 广1 2 = _ 二 镏攀盈匿 图2 - 3 油耗实时计量装置的构成 圈2 0 智能流量积算仪的安装位置 望 第二章油耗实时计量装置总体设计 4 软件系统。软件系统主要是将接收到的流量信号和温度信号进行处理，实 现人机交互、信号检测、数据传送和处理、显示、以及软件滤波抗干扰等内容。 另外，还通过软件在内燃机车空打燃油泵时实现仪表系数的校正，克服因内燃机 车“大流量小消耗 的特性而增大的计量误差，提高了装置的精度。 2 3 硬件电路研究与设计 内燃机车油耗实时计量装置在硬件设计方面遵循以下原则进行： 1 尽可能选择典型电路，并符合单片机的常规方法，为系统的标准化、模块 化打下良好的基础。 2 硬件结构应结合应用软件方案一并考虑。硬件结构与软件方案会产生相互 影响，考虑的原则是：软件能实现的功能尽可能由软件来实现，以简化硬件的结 构。但必须注意，由软件实现的硬件功能，其响应时间要比直接用硬件实现来得 长，：而且占用c p u 的时间。因此选择软件方案时，应考虑此因素。 3 整个系统中相关的器件要尽可能作到性能匹配，选择c m o s 芯片单片机 构成低功耗系统时，系统中的所有芯片都应该选择低功耗产品。 4 可靠性及抗干扰设计是硬件系统设计不可缺少的一部分，它包括芯片、器 件选择、印刷电路板布线、信号通道隔离、硬件电路设计等。 5 选用符合国家标准和部颁标准的元器件，以保证可替换性。在保证可靠性 的前提下，尽量选用质优价廉的元器件，以降低成本，提高性价比。同时，也要 尽量减少元器件品种、型号，以保证制造安装和维修的方便。 进油流量传感器l l 信导朴理由昭l =u 乙 1 1 日7h o 口“4 i 7 l 显小驱动 n 门 回油流量传感器 ，l 信号处理电路i i ju b单 、r l 数字显示器 进油温度传感器i 片 进油温度传感器j 叫e e p r o m - 。_ 机 人机界面卜 。 l 、一l - l 侣ij ，叫 电源模块 l _ 图2 - 5 检测装置硬件原理框图 1 0 第二章油耗实时计量装置总体设计 在这些思想的指导下，硬件设计在显示功能模块中都采用了串行元件，节省 了单片机硬件资源，简化了印刷电路板的布线，提高了系统硬件的集成度和可靠 性；应用了看门狗监控电路，从硬件上保证了系统的可靠运行；并在电源设计上 考虑双电源供电，使得系统工作可靠，避免了电源造成的干扰。 从故障来看，内燃机车油耗实时计量装置整体也可以看成串联系统，由积算 仪、传感器、手操器等几部分组成。其中的任何一部分都不能出现故障，否则整 个系统将出现问题无法正常工作，严重时甚至瘫痪。因此，硬件电路的设计必须 采取有效的抗干扰措施。 内燃机车油耗实时计量装置的硬件原理框图如图2 - 5 所示，电路原理图如图 2 - 6 所示，下面对各主要电路模块进行说明。 流量、温度信号输入部分流量传感器送入与流量成比例的频率信号，经 地放l m 3 5 8 构成的电压跟随器输入。为了避免干扰信号也随之进入，利用光耦 4 n 2 5 进行光电隔离，再送入单片机的t 0 、t l 口。t 0 、t 1 口采用计数工作方式， d s l 2 8 8 7 每5 0 0 毫秒中断一次，第二次中断记录每一秒钟进油和回油流量对应的 频率数。温度传感器d s l 8 8 2 0 采用的是单总线技术，把温度信号通过p 1 2 输入 到单片机。软件程序根据采集的流量频率信号和温度信号进行运算就可以得到燃 油的体积流量或质量流量。 外接数据存储器掉电后数据保护是仪表可靠性的一项重要指标。仪表在 各种恶劣环境下运行，掉电后必须可靠的保持设定参数及累积总量不变，如仪表 系数、温补系数、班累及总累数据等。 键盘部分分为面板上按键及手操器按键两部分。面板上按键通过分别判 断p 1 3 、p 1 4 、p 1 5 端是否为低电平来识别。手操器按键的识别通过p 1 7 端是 否为低电平而进入键盘扫描子程序。当有键按下时申请中断，并通过由p 0 7 、 p 0 6 、p 0 5 和p i 0 、p i 1 输入端口查询是哪个键按下，最后转入处理程序。 显示部分本仪表通过m a x 7 219 以串行工作方式驱动l e d 八位数码显 示管，与单片机之间连接了3 根口线。分别为m a x 7 2 1 9 的d i n ( 1 脚) 、l o a d ( 1 2 脚) 、d o u t ( 1 3 脚) 口，在软件中通过串行输出依次对以上各管脚置位而 达到传送数据的目的。 看门狗电路由于单片机有可能受到外界的干扰而出现程序“跑飞“现象， 在程序的执行过程中由m a x l 2 3 2 进行监控，如果在1 2 0 0 毫秒内没有及时“喂 狗”，则程序有可能执行错误，于是m a x 12 3 2 将对单片机和d sl2 8 8 7 进行复位 操作使程序重新开始运行。 第二章油耗实时计量装置总体设计 图2 - 6 内燃机车油耗实时计量装置电路原理图 第二章油耗实时计量装置总体设计 2 4 软件程序设计与研究 内燃机车油耗实时计量装置中的单片机软件程序应遵循下列原则进行设计： 1 选择流行的编程语言，要求调试方便，移植性好。 2 软件采用原型法开发模式，可以根据功能、精度、外观、操作、响应时间 等客户的要求不断补充和完善原型。 3 采用结构化设计。先考虑总体目标，然后把任务分解成不同的子程序模块。 子任务再分解，这样逐层细分，同时分析层次间的关系与同一层次各任务间的关 系，最后拟定出各任务的细节。 4 采用模块化编程。为了使程序易于编码、调试和排除错误，也为了便于检 验和维护，设法把程序编写成结构完整、相对独立的程序段。 5 程序存储区、数据存储区规划合理，既能节约内存容量，又使操作方便。 6 实现软件的全面抗干扰措施。 一一一、 ( 手操器 j 一一| j 一、 _ 一 、，、 ( 置数 )( 清零 j 、。一， 、一一 j 7 一、 ，r 一一、，一、 ( 时间 )( 键盘 ) 数据采集 ) 、7 、一，7 、。 厂一一一、，j 。、_ l 、 查询历史数据一交接班j(计算) - ，、。、。一，7 一， 、- _ ，7 ，l 、 f 班累、总累) ，。、一， ： ，- ， 一 ，一j l 一 ：、 l 显示 )、 图2 7 软件总体结构 遵循以上原则，根据系统的功能要求，设计了软件的整体思想。软件采用高 级语言c 语言编程【1 9 1 1 2 ，即当下流行的c 5 1 编程，大大提高了效率，并减少软 件设计中的错误，缩短了开发时间。选用了l a r g e 编译模式，在硬件设计上扩 充了一片r a m l 2 1 5 ，这样在实际编程过程中，可以减少变量空间不够的约束。 但x d a t a 的变量越多，程序量相对越大，运行时间越长。所以使用变量的一个 原则是：合理使用内存和外存，频繁使用的变量尽量放在内部r a m 区中l z l i 。 内燃机车实时计量装置软件系统的总体结构如图2 7 所示。主要包括四大功 第二章油耗实时计量装置总体设计 能模块： 时间显示模块一通过d s l 2 8 8 7 实时时钟芯片实现日历年、月、日、时、 分的功能；同时该芯片也为软件程序提供周期中断。 数据计算模块根据传感器数据( 流量信号和温度信号) 进行分析处理， 考虑温度补偿，计算出进油和回油流量、油耗；将各班组累计油耗和总累计油耗 存入相应地址。 键盘操作模块实现上翻查询和下翻查询，查询一个月最多共计9 9 个班 组的油耗及交接班时间情况。同时，通过按钮的复用实现交接班操作。 手操器模块判断按键，置入时间、仪表系数、温度补偿系数、燃油密度 等参量；对各班组油耗和总油耗实现清零操作；同时也决定校正的状态以及一键 恢复仪表系数的操作。 内燃机车油耗实时计量装置的软件系统主程序流程图如图2 8 所示，相关说 明附于标注框中。 第二章油耗实时计量装置总体设计 图2 - 8 单片机主程序流程图 1 5 第三章基于涡轮流量传感器流量系统的研究 第三章基于涡轮流量传感器流量系统的研究 流量传感器作为构成内燃机车油耗实时计量装置硬件系统的主要组成部分， 对装置的可靠性起着举足轻重的作用。流量传感器把采集来的流量信号转换成便 于处理和传输的电信号，传送到智能流量积算仪进行运算处理。如果流量传感器 选用不当，将直接影响到整个装置的性能与可靠性水平，也关系到整机的经济成 本和日后的维护与正常使用。本章主要讨论内燃机车油耗实时计量装置中流量传 感器的选用、涡轮流量传感器仪表系数的宽窄量程的检定、误差分析及流量传感 器的重复性和线性度比较、内燃机车空打燃油泵情况下仪表系数的校正及误差分 析等内容。 3 1 流量传感器的选择 传感器是油耗实时计量装置中采集数据的重要工具，把非电量( 流量、温度) 转换成便于处理和传输的物理量( 电量) ，为流量的测量提供原始、准确的数据。 如果传感器选择不当，将影响整机的测量精度，甚至无法使用。因此内燃机车油 耗实时计量装置中流量传感器的正确选择才显得格外重要。 以测量流体流速来得到流体流量的流量传感器，统称为速度式流量传感器。 它的种类很多，近年来发展也很迅速，比较典型和常用的有涡轮流量传感器、涡 街流量传感器、电磁流量传感器、超声波流量传感器和热式流量传感器等1 2 引。 涡轮流量传感器是利用流体流动推动叶轮转动，流体流速与叶轮转速成正 比，通过测量叶轮转速可得到流体流速进而得到流量值。在工业上，可采用涡轮 流量传感器测量粘度较低的各种液体及气体的流量。这种流量传感器具有测量准 确度高，量程范围宽，线性好，脉冲输出等优点。 涡街流量传感器是采用在流体中安装迎流面为钝体的柱体，利用检测在柱体 下游有规则的产生的漩涡的频率得到流体的流速进而得到流量。它具有量程范围 宽，准确度高，适用流体范围广，压力损失小等优点。近年来，涡街流量传感器 发展很快，各种各样的涡频检测技术也纷纷出现。 电磁流量传感器是基于法拉第电磁感应定律的原理工作的。它要求被测流体 的电导率不能过低，目前只能测量水和一些酸、碱、盐溶液，液态金属等，对气 体和绝大部分油类介质不能适用。另一个显著特点是该流量传感器无阻碍流体流 动的部件，对流动几乎无阻力。对于管内稳定的流动，严格轴对称速度分布流体 进行测量，流量传感器检测到的感生电动势可以很好的反映管内流体的平均流 1 6 第三章基于涡轮流量传感器流量系统的研究 速。但这种流量传感器对于外界的电磁干扰很敏感，需采取一定的抗干扰措施， 如注意良好接地，屏蔽外界电磁场等。 近年来超声波技术用于流量测量发展很快。超声波在流动的流体中传播时， 就载上流体流速的信息，可用不同方法接收超声波，换算出流体流速及流量。目 前应用较多的检测方法主要有传播速度差法，多普勒法等。超声波流量传感器具 有无阻碍流体流动的特点，而且特别适宜于大流量的测量。传播速度差方法测量 准确度较高，但不适用于含固体颗粒的污水等测量，流动速度较低时，也会产生 灵敏度下降；多普勒方法在含悬浮粒子、气泡等双相流动的测量中得到很好的应 用。 将一导热体置于流场中，并保持一定温度，那么，其加热电流就与流速成一 定比例关系；若维持加热电流不变，则导热体的温度就与流体流速成比例，以上 就是热式流量传感器的两种主要工作方法。热式流量传感器有多种形式：热线测 速仪，托马斯流量传感器，边界层流量传感器等。前一种是速度式流量传感器， 具有反应灵敏，探头体积小等优点，尤其适用于流场中瞬时流速的多点测量，在 流体力学科研中应用很多。后两种是热质量式流量传感器，信号可直接反映流体 的质量流量。 可见，虽然可以选择其它原理的流量传感器作为内燃机车油耗实时计量装置 的流量信号采集的手段，精度上也可能得到提高，但均有其局限性，有不适合内 燃机车上应用的诸多因素。诸如本装置是对柴油的测量，内燃机车上电磁干扰强 烈，有振动，油路不能阻塞，要求精确度高，价格适中等，所以综合考虑，o 5 ，精度的涡轮流量传感器可以认为是进行内燃机车油耗实时计量传感器的最佳选 择。后文中也讨论了选定适应内燃机车实际流量范围的窄量程检定的仪表系数更 准确等问题，通过实验数据说明，选用涡轮流量传感器的油耗实时计量装置的精 确度更高，对于提升整机的精度起着关键作用。 3 2 涡轮流量传感器的工作原理 上一节比对了多种流量传感器进行选择，从价格、性能、环境要求、精度、 测量方法等多方面考虑，要求精度高、技术成熟、抗振动能力好、价格较低、性 价