用于汽车燃油计量的智能涡轮流量计的研究

【摘要】本文研究了一种涡轮流量计能够实现对汽车发动机的燃油流量进行计量。文中对涡轮流量计的结构特点、电路组成和软件开发等方面进行了深入研究分析，设计了智能型涡轮流量计的总体方案。这种流量计对于对加强企业管理、降低生产成本、提高企业的竞争力等方面具有十分重要的意义。

二、研究的主要内容和设计思路：
  涡轮流量计按照传感器结构可分为轴向型和切向型两种。轴向涡轮流量计目前应用较为广泛，大多数的现有产品采用的都是轴向涡轮流量计，而切向涡轮流量计的应用实例并不多见。但是切向涡轮流量计自身的一些特点是轴向涡轮流量计所不具备的，例如：精度高、重复性好、响应速度快、压力损失小、信号便于远传、即使出现故障也不会阻塞管路等。这里我们主要研究切向涡轮流量计如何对汽车发动机的燃油流量进行计量，研究流量信号的采集和处理过程，将MSP430单片机应用到涡轮流量计信息处理单元。

1．切向涡轮流量计的组成结构：
  切向涡轮流量计结构流程如图1所示，它由负责流量检测部分的流量传感器和采集数据及显示数据的流量显示仪表两部分组成。

图1 切向涡轮流量计结构流程图

2．切向涡轮流量传感器的结构和信号检测原理：
  由于切向涡轮流量传感器的大小受汽车发动机输油管直径大小的限制，在设计传感器的壳体时，壳体的内径要与之相适应，根据现代发动机的输油管的实际情况暂定壳体的内径为12mm，从而能够满足流体流量的要求。切向涡轮流量传感器的壳体一般采用不导磁的不锈钢或硬质合金制成，对于大口径传感器亦可用碳钢与不锈钢组合的镶嵌结构。壳体是传感器的主体部件，它起到承受被测流体的压力、固定安装检测部件和连接管道的作用。壳体内装有叶轮、轴、轴承，壳体外壁安装有信号检测放大器。叶轮一般由高导磁性材料制成，是传感器的检测部件，它的作用是把流体动能转换成机械能。叶轮由支架中轴承支承，与壳体同轴，其叶片数视口径大小而定。叶轮几何形状及尺寸对传感器性能有较大影响，要根据流体性质、流量范围、使用要求等设计。
  当被测流体通过切向涡轮流量传感器时，流体通过喷嘴冲击叶片，流体的冲击力对涡轮产生转动力矩，使叶轮克服机械摩擦阻力矩和流动阻力矩而转动。实践表明，在一定的流量范围内，对于一定的流体介质粘度，叶轮的旋转角速度与通过传感器腔体的流量成正比。所以，可以通过测量叶轮的旋转角速度来测量流量。如图2所示为涡轮流量传感器信号检测总体流程图，整个电路可分为两部分：振荡信号发生电路和信号检出电路。

图2  涡轮流量传感器信号检测流程图
  叶轮的旋转角速度是通过变频调幅的原理来测量转换的。一般采用电容三点式振荡电路作为振荡信号发生电路，将其中LC选频网络中的电感做为传感器，电感放置位置和叶轮叶片垂直，当有流量时，叶片转动。当被测物靠近传感器线圈时，线圈的等效电感发生变化，从而引起振荡器的谐振频率发生变化，此时由传感器回路组成的振荡电路输出电压波形不但频率发生了变化，而且幅值也发生了变化。信号经过检波电路、滤波电路，从调制波中检出叶轮转动频率信号，再经过信号放大电路、电压比较电路、电压跟随器得到和叶片旋转频率相同的脉冲信号，送至单片机智能仪表进行累计和显示。输出电脉冲与叶轮转速成正比，叶轮转速与流量成正比，所以输出电脉冲频率与流过传感器的流量成正比。

3．以单片机为核心的智能仪表设计：
  本设计将MSP430单片机应用到涡轮流量计信息处理单元，由单片机计算得出瞬时流量、累积流量等数据，通过液晶屏幕自动予以显示。智能仪表的硬件组成核心是MSP430单片机，辅以一些外围电路模块共同实现预期控制目标。智能仪表内部为数字世界，而与其交往的外部为模拟世界，两者之间通过A/D、D/A器件作为交换界面。软件程序的设计采用模块化的程序设计思想，系统程序主要由三部分组成：系统主程序，实现各种功能的子程序，中断服务程序。软件编程环境采用的是IAR公司为MSP430系列单片机提供的集成调试环境Embedded  Workbench和C语言调试器C-SPY。用C语言程序设计来实现嵌入式系统的系统软件和应用软件的开发，可以大大提高开发调试工作的效率。以MSP430单片机为核心的控制电路，完成了整个系统的所有控制功能，这些功能包括：流量计量、流速显示、参数置入、脉冲输出、电源电压监测等。每个模块经调试成功后，在主程序中将各个模块串连起来，通过调节模块的先后顺序使程序更合理。

三、结束语：
  本文研究设计的涡轮流量计能够实时地反映当前汽车燃油的累计流量和瞬时流量。对于驾驶员实时掌握油耗和公司管理人员对于公司成本的控制管理提供了准确可靠的数据依据。本文对这种智能涡轮流量计只做了初步的研究，仍存在一些问题有待今后进一步深入研究。