实验台流量显示设计论文.doc

摘 要喷油泵是柴油机的一个关键部件，它是根据柴油机的转速均匀分配各气缸的进油量，对喷油泵的校核、调整一般是在喷油泵实验台上进行的。目前国内外喷油泵实验台量油系统普遍采用量筒式计量法，该方法存在量筒的制造误差、沉积误差、液面读数误差、气泡误差、挥发误差以及测量人员的视觉误差等，使测量精度较低、耗时长。随着科技的不断进步，智能化的不断提高，量筒式的测量显示方法已不能满足实际工作生产中环保、节能的要求，用现代传感技术及数字电子技术来改变测量显示系统已完全成为发展的必然趋势。本设计中的主要研究方向是改变上述量油系统的各种缺陷，把量油系统数字化、智能化。分别研究容积式流量计、霍尔转速传感器、传感器输出信号的采集处理、数字计数电路及数字显示电路的原理及工作流程，结合各个系统的工作优势，组成高精度的、智能化的量油数字化显示系统。以达到实际工业生产中的要求。文中重点阐述了传感器信号采集处理及数字计数和显示电路的设计部分，并对容积式流量计等外围设备作了简单说明，最后还对本次设计的优缺点及展望作了描述。关键词：喷油泵实验台 量油系统 传感器 计数器目 录第一章 引言 . 1 . 11本课题研究的目的和意义 312研究内容 . 3第二章 12PSDBl10型喷油泵试验台 . 421试验台简介 422喷油泵试验台的总体结构 423原量油系统存在的问题及改进方案 5第三章 流量的检测 . 53.1流量的测量 . 53.1.1流量计选型原则 53.1.2流量计的种类 . 63.1.3容积式流量计 . 73.2转速的测量 83.2.1转速计的种类 . 83.2.2霍尔原理 . 93.2.3霍尔转速计 . . 10第四章 信号的处理 . 114.1信号的放大处理 4.1.1放大电路要求及分类4.1.2高输入阻抗高增益放大电路4.2采样保持电路 . 154.2.1信号的AD转换处理4.2.2采样过程及定理 154.3信号的过滤处理 . 164.3.1滤波器的作用及分类 164.3.2滤波器的工作原理 164.3.3低通滤波电路 17 . 第五章 计数、显示电路的设计 175.1计数电路的设计 . 175.1.1计数器的分类 185.1.2 74LS90及计数电路的设计 185.2译码电路的设计 . 195.3 LCD数码显示电路及驱动电路 .195.3.1半导体发光二极管 .205.3.2显示译码器 .205.4显示驱动电路图 . 21第六章 整体线路连接 216.1总接线原理图 226.2系统工作流程 .23 第一章 引言11本课题研究的目的和意义喷油泵试验台量油系统普遍采用量筒式计量法，该方法存在量筒的制造误差、沉积误差、液面读数误差、气泡误差、挥发误差以及测量人员的视觉误差等，使得测量精度较低，耗时长，已不能满足对汽车发动机的环保技术要求和节能要求。本研究利用传感器技术、数字电子技术对原量油系统进行改进，由LCD数码显示管显示喷油量，实现了自动量油。12研究内容本课题的研究内容有：(1)流量的检测部分，其具体分为容积式流量计的检测部分和霍尔转速计检测部分。(2)传感器信号的分析处理，其具体分为信号的AD转换部分、信号的放大部分和信号的滤波部分。(3)数字电路的设计，其具体分为计数部分和显示部分。第二章 12PSDBl10型喷油泵试验台21试验台简介12PSDB系列喷油泵试验台是对第一代变频调速喷油泵试验台进行多项重大改进后设计的第二代变频调速喷油泵试验台。该试验台采用国际先进的变频调速技术，调速范围广，具有如下功能：(1)电子显示；(2)转速预置；(3)直流12V24V电源；(4)转速、计数、温度数显；(5)回油测量；(6)风冷；(7)强冷；(8)机油润滑；(9)倒油时间声光报警；(10)正负气压等功能。该试验台结构新颖、外形美观、操作维修方便，性能优良，适用于I、I、VE、A、B、P、z、W等国内外多种直列泵和分配泵的调试。其性能参数如表21所示。表21 实验台性能参数22喷油泵试验台的总体结构喷油泵试验台是调试喷油泵的设备。实践证明，试验台技术状态尤其是量油系统的精度对喷油泵调试质量影响很大，较高的量油精度有助于喷油泵调试质量的提高。喷油泵试验台是一个精密而复杂的机电一体化检测设备，它主要由量油机构、传动系统、液压系统、气路系统以及电气控制系统等组成。整个系统的基本结构如图21所示。控制系统根据操作人员设定的转速值，调节变频器输出电压频率，使喷油泵稳速运行。本研究的喷油泵试验台量油测试系统如图22所示。图21 12PSDB110型喷油泵实验台 图2-2喷油泵试验台量油测试系统23原量油系统存在的问题及改进方案12PSDBll0型喷油泵试验台的量油系统采用量筒式计量法，该方法存在量筒的制造误差、沉积误差、液面读数误差、气泡误差、挥发误差以及测量人员的视觉误差等，使得测量精度较低，耗时长，已不能满足对汽车发动机的环保技术要求和节能要求。本研究利用传感器技术、数字电子技术对原量油系统进行了智能化的技术改进设计及试验。利用霍尔转速计测取容积式流量计不同转速，经信号处理电路进行信号处理后，送入计数器及转换器，最终由LCD数码显示管显示喷油量，实现自动量油。第三章 流量的检测3.1流量的测量3.1.1流量计选型原则流量计选型是指按照生产要求，从仪表产品供应的实际情况出发，综合地考虑测量的安全、准确和经济性，并根据被测流体的性质及流动情况确定流量取样装置的方式和测量仪表的型式和规格。流量测量的安全可靠，首先是测量方式可靠，即取样装置在运行中不会发生机械强度或电气回路故障而引起事故；二是测量仪表无论在正常生产或故障情况下都不致影响生产系统的安全。在保证仪表安全运行的基础上，力求提高仪表的准确性和节能性。为此，不仅要选用满足准确度要求的显示仪表，而且要根据被测介质的特点选择合理的测量方式。为保证流量计使用寿命及准确性，选型时还要注意仪表的防振要求。在湿热地区要选择湿热式仪表。正确地选择仪表的规格，也是保证仪表使用寿命和准确度的重要一环。应特别注意静压及耐温的选择。仪表的静压即耐压程度，它应稍大于被测介质的工作压力，一般取1.25倍，以保证不发生泄漏或意外。量程范围的选择，主要是仪表刻度上限的选择。选小了，易过载，损坏仪表；选大了，有碍于测量的准确性。一般选为实际运行中最大流量值的1.2一1.3倍。安装在生产管道上长期运行的接触式仪表，还应考虑流量测量元件所造成的能量损失。一般情况下，在同一生产管道中不应选用多个压损较大的测量元件，如节流元件等。总之，没有一种测量方式或流量计对各种流体及流动情况都能适应的。不同的测量方式和结构，要求不同的测量操作、使用方法和使用条件。每种型式都有它特有的优缺点。因此，应在对各种测量方式和仪表特性作全面比较的基础上选择适于生产要求的，既安生可靠又经济耐用的最佳型式。3.1.2流量计的种类（1）差压式流量计 压差式流量计也称节流式流量计，是目前工业生产中最成熟，最常用的流量测量方法之一。如果在管道中安置一个固定的阻力件，其中间开一个比管道截面积小得孔，当流体流过该阻力件时，由于流体流束的收缩而使流速加快、静压力降低，其结果是在阻力件的前后产生一个较大的压差。压差的大小与流体的速度大小有关，流速愈大，压差也愈大，因此，只要测出压差就可以推算出流速，进而可以计算出流体的流量。（2）浮子流量计 浮子流量计主要由一个向上扩张的锥形管和一个置于锥管中可以上下自由移动的浮子组成。流量计的两端通过法兰连接或螺纹连接的方式垂直地安装在测量管路上，推动浮子。在稳定工况下，浮子的悬浮高度h与通过流量计的体积流量之间有一定的比例关系。所以，可以根据浮子的位置直接读出通过流量计的流量值，或通过远传信号方式将流量信号（即浮子的位置信号）远传给二次仪表显示和记录。（3）容积式流量计 流体通过流量计，就会在流量计进出口之间产生一定的压力差。流量计的转动部分在这个压力差的作用下将产生旋转，并将流体由入口排向出口。在这个过程中，流体一次次地充满流量计的“计量空间”，然后又不断地送往出口。在给定流量计条件下，该计量空间的体积是确定的，只要测得转子的转动次数，就可以得到通过流量计的流体体积的积累值。（4）热式流量计 用于微小流量测量的热式流量计是一种直接式质量流量计。是利用传热原理测量流量的仪表，即流动中的流体与热源（流体中外加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表。（5）涡轮式流量计 涡轮式流量计是一种速度式流量计，它利用置于流体中的叶轮旋转角速度与流体速度成比例的关系，通过测量叶轮的转速来反映通过管道的体积流量大小，是目前流量仪表中比较成熟的高精度仪表。（6）旋涡（涡街）式流量计 旋涡式流量计是利用流体振动原理来进行流量测量的。即在特定的流动条件下，流体一部分动能产生流体振动，且振动频率与流体的流速（或流量）有一定的关系。（7）电磁式流量计 电磁式流量检测，它是根据法拉第电磁感应定律进行流量测量的电磁式流量计（EMF），可以检测具有一定电导率的酸、碱、盐溶液， 腐蚀性液体以及含有固体颗粒的液体，但不能检测气体、蒸汽和非导电液体的流量。根据各种不同流量计的特点、要求、各种性能指标等，总结出几种流量计的有关特征，如下表所示：类型项目 容积式 节流式 漩涡（涡街） 涡轮 电磁 超声波 质量 精度 0.5-2.5 0.5-1.5 0.5-1.5 高 1.0 1.5 高 压损 小 大 较小 大 小 小 大 低速 可 难 难 可 难 难 可 高温 可 可 - - - - 难 含气 可 - - - - - 可 远传 智能型 智能型 智能型 - 智能型 智能型 智能型 重量 轻 一般 轻 一般 重 重 重 大粘度 可 - - 可 导电液 难 可 小管径 可 - - 可 - - 可 量程比 510:1 3:1 1:20 1:50 10:1 10:1 20:1 含杂质 可 - - - 可 可 - 故障率 低 低 低 一般 低 低 低 介质种类 气、汽、液 气、汽、液 气、液 液 导电液 气、液 气、汽、液 结垢影响 大大 大 大 小 大 大 粘附影响 小 大 大 大 小 大 小 积算方式 开方、线性 开方 线性 线性 开方 线性 开方 瞬时显示 智能型 智能型 智能型 - 智能型 智能型 智能型 安装方法 任意 水平 任意 水平 水平 任意 水平 安装难易 易 难 易 难 难 难 难 维护使用 易 专人 易 易 难 难 易 使用寿命 可 可 一般 易磨损 可 可 可 综上所述，我们在本次测量中选用容积式流量计综上所述，我们在本次测量中选用容积式流量计。3.1.3容积式流量计容积式流量计又称排量流量计（positive displacement flowmeter），简称PD流量计或PDF，在流量仪表中是精度最高的一类。它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，根据计量室逐次、重复地充满和排放该体积部分流体的次数来测量流量体积总量。典型的PDF（椭圆齿轮式）的工作原理如图31所示。两个椭圆齿轮具有相互滚动进行接触旋转的特殊形状。p1和p2分别表示入口压力和出口压力，显然p1p2，图1（a）下方齿轮在两侧压力差的作用下，产生逆时针方向旋转，为主动轮；上方齿轮因两侧压力相等，不产生旋转力矩，是从动轮，由下方齿轮带动，顺时针方向旋转。同时下齿轮将半月形“计量空间”的流体排向出口在图1(b)位置时，两个齿轮均在差压作用下产生旋转力矩，继续旋转。选装到图1(c)位置时，这时齿轮位置与图1(a)相反，上方齿轮变为主动轮，下方齿轮则成为从动轮，上齿轮在进出口流体差压作用下旋转，又一次将它与壳体之间的半月型“计量空间”中的流体排出继续旋转到与图1(a)相同位置，完成一个循环。如此连续不断运动，椭圆齿轮每转一周，就排出四个由齿轮与壳壁间围成的新月形空腔的流体体积，该体积称作流量计的循环体积。 图31 椭圆齿轮流量计工作原理因此，只要读出齿轮的转数，就可以计算出排出的液体量参考图32。设流量计循环体积为，一定时间内齿轮转动次数为n，则在该时间内流过流量计的流体体积为V，可计算出排出的流体总量为：V=4n=2n（R2-ab）式中 n齿轮的转动次数； a，b椭圆齿轮的长半袖，短半铀； 椭圆齿轮的厚度； 图32 椭圆齿轮结构示意图由上式可知，我们要想得知流量V，除了已知的技术参数和固定值R、a、b、外，还有一个至关重要的未知量转速n，转速n测量的是否准确，直接影响到最终的测量结果，故对转速n的测量，是本次设计中需要着重解决的一个问题。3.2转速的测量3.2.1转速计的种类转速的检测方法根据不同的原理有很多种，按照不同的检测方法，检测仪表也大体可分为以下几种：（1）离心式转速表，利用离心力与拉力的平衡来指示转速。 离心式转速表是最传统的转速测量工具，是利用离心力原理的机械式转速表；测量精度一般在12级，一般就地安装。一只优良的离心式转速表不但有准确直观的特点，还具备可靠耐用的优点。但是结构比较复杂 。（2）磁性转速表，利用旋转磁场，在金属罩帽上产生旋转力，利用旋转力与游丝力的平衡来指示转速。 磁性转速表，是成功利用磁力的一个典范，是利用磁力原理的机械式转速表；一般就地安装，用软轴可以短距离异地安装。磁性转速表，因结构较简单，目前较普遍用于摩托车和汽车以及其它机械设备。异地安装时软轴易损坏。（3）电动式转速表，由小型交流发电机、电缆、电动机和磁性表头组成。小型交流发电机产生交流电，交流电通过电缆输送，驱动小型交流电动机，小型交流电动机的转速与被测轴的转速一致。磁性转速表头与小型交流电动机同轴连接在一起，磁性表头指示的转速自然就是被测轴的转速；电动式转速表，异地安装非常方便，抗振性能好，广泛运用于柴油机和船舶设备。（4）磁电式转速表，磁电传感器加电流表，异地安装非常方便。（5） 闪光式转速表，利用视觉暂留的原理。闪光式转速表，除了检测转速（往复速度）外，还可以观测循环往复运动物体的静像，对了解机械设备的工作状态，是一必不可少的观测工具。（6） 电子式转速表，电子技术的不断进步，使这一类转速表有了突飞猛进的发展。是以现代电子技术为基础，设计制造的转速测量工具。它一般有传感器和显示器，有的还有信号输出和控制。根据各种不同类型转速检测仪表的工作原理、使用范围、技术参数、工作环境以及各种特殊的使用、操作要求，结合本设计中的要求精度高、转速慢、体积小等各方面的要求，所以我们综合考虑各种因素，决定在本次设计中采用磁电传感器中的磁电式转速表，具体的采用根据霍尔效应原理而制作应用的霍尔转速计。3.2.2霍尔原理霍尔效应原理： 图33 霍尔效应原理图如图33所示，在半导体薄片上垂直施加磁场B，在薄片两短边b方向涌入控制电流I，则在薄片两长边L方向产生电动势，这种现象称之为霍尔效应，该电动势称为霍尔电压UH 。图33中，v表示半导体中电子在控制电流作用下的运动方向和速度，F表示电子所受到的磁场洛伦兹力，其大小为：FL = qvB式中，q为电子的电荷量，FL方向符合左手掌定则。在FL的作用下，电子向一侧运动，致使在霍尔元件的两长边积累起等量的正、负电荷，形成霍尔电场，FE为表示该霍尔电场的电场力。当霍尔电场力FE与洛伦兹力FL相等时，电荷积累达到动态平衡，此时霍尔电压UH的大小为:UH = RHIBfH(L/b)/d式中 R霍尔常数（m 3/C）；fH(L/b)霍尔元件形状系数；d霍尔元件的厚度（m）；L霍尔元件的长度（m）；b霍尔元件的宽度（m）；I控制电流（A）；B磁感应强度（T，即Wb/m 2）。令KH = RHfH(L/b)/d，称之为霍尔元件的灵敏度，则（1）式改写为UH = KHIB由上式可见，当霍尔元件的半导体材料性能及几何尺寸确定后，霍尔元件的输出电压UH 正比于控制电流I和磁感应强度B。3.2.3霍尔转速计： 图34 转速计原理图如图34所示，将霍尔元件移置旋转盘下边，让转盘上小磁铁形成的磁力线垂直穿过霍尔元件；当控制电流I一定时，霍尔输出电压UH决定于小磁铁的磁场。由于小磁铁固定在旋转盘上，当旋转盘随转轴转动时，霍尔元件上获得周期变化的磁脉冲，因而产生相应的霍尔脉冲电压，此脉冲电压单位时间内的个数，正比于转轴的旋转速度，通过统计脉冲电压的个数，从而实现转速的检测。转盘上磁铁对数越多，传感器测速的分辨率越高。由于本次设计中转速较慢，流量比较小，故我们在转盘上多加磁铁的对数，从而提高检测精度，达到本次设计的要求。按图34中的模型所示，霍尔集成传感器固定不动，而m个永久磁铁N固定在转动机械上，即m个永久磁铁N随着转动机械以同一转速n转动。转动机械每转一圈，使开关型霍尔集成传感器输出m个脉冲；所以只要能测量出在单位时间内转动机械转了的圈数n，就可以达到测量上述容积式流量计转速的目的。第四章 信号的处理4.1 信号的放大处理4.11放大电路的分类及要求 传感器拾取的信号往往很微弱，所以在传感器的接口处加放大电路！对于这些放大电路要求有：足够的放大倍数和响应速度；高的共模抑制比；高的输入阻抗和低的输出阻抗；低温漂，低噪声，低失调电压和电流。线性运算放大器具有上述特点，因而传感器输出信号的放大电路都是由线性运算放大器组成，常用的由以下的几中运算放大电路比较：项目内容特点通用电桥放大器线路简单，输出电压线性好，灵敏度高，但测量精度不高反馈式电桥放大器电路结构简单，输出电压线性好，但灵敏度低，通常需二次放大电桥反馈式放大器1：的放大倍数与桥臂电阻无关对桥臂电阻要求不高；2：输出电压与相应变量之间呈非线性关系。但灵敏度高；3：运放采用但单端输入方式，故对共模电压无抑制能力；需要不接地的供桥电源。 以上各种基本放大电路有优点也有缺点，根据放大电路的要求，我们选择高输入阻抗高增益放大器，其电路如下图所示：4.2采样保持电路 . 154.2.1信号的AD转换处理A/D转换A/D转换包括了在时间上对原信号等间隔采样、幅值上的量化及编码，即把连续信号变成离散的时间序列，其处理过程如图4.2图4.2A/D转换过程4.2.2采样过程及定理1采样过程采样过程可以看作用等间隔的单位脉冲序列去乘模拟信号。这样，各采样点上的信号大小就变成脉冲序列的权值，这些权值将被量化成相应的二进制编码。其数学上的描述为，间隔为Ts的周期脉冲序列g(t)乘模拟信号x(t)。g(t)由式(3-1)表示，即n=0,1, 2, 3, (3-1)由函数的筛选特性式(2-66)可知n=0,1, 2, 3, (3-2)经时域采样后，各采样点的信号幅值为x(nTs)。采样原理如图所示，其中g(t)为采样函数。称为采样间隔，或采样周期，称为采样频率。 时域采样原理由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。采样过程2 采样定理采样频率s必须不小于信号最高频率c的2倍，即，这就是采样定理。在实际工作中，一般采样频率应选为被处理信号中最高频率的34倍以上。 4.3信号的过滤处理 4.3.1滤波器的作用及分类 经传感器的转换和放大器放大的点信号，由于测试环境的电磁干扰，传感器和放大器自身的影响，往往会含有许多频率成分的噪音信号。严重是，这些噪音信号会淹没没带5提取的输入信号，使测试系统无法获得被测信号。在这种情况下 ，需采取滤波措施，抑制不需要的杂散信号，使系统的信噪比增加。滤波器的分类如下：如果对模拟信号进行离散采样，通过软件算法对采样信号进行平滑加工，增强有效信号，消除或减少噪声，从而达到滤波的目的这种方法称为数字滤波方法，也称数字滤波器 。如果采用模拟电路对模拟信号进行滤波，则称这一电路为模拟滤波器。其中模拟滤波器种类很多，按是否使用有源器件可分为有源滤波器和无源滤波器。此外，按滤波器接通频带来分，可分为低通，高通，带通，带阻和全通五类滤波器。 4.3.2滤波器的工作原理及各种滤波器简介 理想滤波器与实际滤波器 1理想滤波器的频率特性 理想滤波器:使通带内信号的幅值和相位都不失真,阻喧内的频率成分都衰减为零的 滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。 如理想低通滤波器的频率响应函数为 理想滤波器实际上并不存在。 2实际滤波器 实际滤波器的幅频特性如下图所示 实际滤波器的特性需要以下参数描述： 信频程选择性： 与上、下截止频率处相比，频率变化一倍频程时幅频特性的衰减量，即 信频程选择性总是小于等于零，显然，计算信量的衰减量越大，选择性越好。 滤波器因素：60dB处的带宽与3dB处的带宽之比值，即 分辨力：即分离信号中相邻频率成分的能力，用品质因素Q描述。 3实际带通滤波器的形式 恒定带宽带通滤波器:B=常量，与中心频率f0无关。 恒定百分比带通滤波器： 在高频区恒定百分比带通滤波器的分辨率比恒定带宽带通滤波器差。 三、RC无源模拟式滤波器 1一阶RC低通滤波器 2一阶高通滤波器 3带通滤波器 将RC低通和高通滤波器串联起来，就可以组成RC带通滤波器。 四、数字滤波器简介 数学滤波:通过一定的计算方法和计算程序对离散信号进行加工,将其改造成新要求的 离散信号,有低通、高通、带通、带阻之分。 数字滤波是对模拟滤波的一种模拟。 如模拟RC低通滤波器： 输出与输入的关系式为 4.3.3低通滤波电路 它的电路图如图(1)所示:(我们以无源滤波网络RC接至集成运放的同相输入端为例) 它的幅频特性如图(2)所示： 它的传输函数为： 其中：Aup为通带电压放大被数，；通带截止角频率 对于低有源滤波电路，我们可