采用橢圓齒輪流量計為傳感器的船用柴油機(jī)智能燃油消耗儀，柴油機(jī)的燃油消耗量(率) 是柴油機(jī)測量的重要參數(shù),也是評價柴油機(jī)性能及其*性的主要指標(biāo)之一. 目前用于柴油機(jī)臺架試車的自動燃油油耗測量儀表,通常采用的方法有容積法、重量法,傳統(tǒng)油耗儀的主要缺點是體積大和單位時間燃油的流量小,無法對油耗進(jìn)行高精度、快速響應(yīng)的測量,沒有數(shù)據(jù)通訊功能,智能化水平不高. 為此,根據(jù)大功率船用柴油機(jī)的特點研制了一種采用橢圓齒輪流量計為傳感器的船用柴油機(jī)智能燃油消耗儀. 該油耗儀具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、精度高等特點. 本文僅對其結(jié)構(gòu)、工作原理及測控單元做一簡單介紹.
常規(guī)的容積法和重量法的測量精度較高,但不能測量瞬時耗油率,只適用于內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定工況下燃油消耗率的測定. 流量計法可以測量瞬時耗油和累加流量. 系統(tǒng)框圖如圖1 所示. 燃油經(jīng)流量傳感器進(jìn)入發(fā)動機(jī),流量傳感器測量燃油流量,以脈沖(頻率改變) 形式輸出電信號.
1. 1 測控單元電路設(shè)計
油耗儀測控單元是本系統(tǒng)的核心之一,要求具有很高的可靠性、良好的實時性和可擴(kuò)充性,使用方便和耐用.
本測控單元電路應(yīng)具有如下功能:1) 測量燃油流量;2) 數(shù)據(jù)顯示和輸出; 3) 鍵盤輸入;4) 數(shù)據(jù)打印輸出;5) 網(wǎng)絡(luò)通訊功能;6) 具有可擴(kuò)充性(如密度、功率測量等功能) .
1. 2 硬件結(jié)構(gòu)
油耗儀測控單元電路原理如圖2 所示. 主要由測流量電路、CPU 單片機(jī)系統(tǒng)、打印機(jī)、控制鍵盤、LED 數(shù)碼管顯示、通訊接口等組成. 測控單元的CPU 選用Intel 公司高性能16 位單片機(jī)80C196KB 作為核心(工作頻率為12 MHz) . 其指令系統(tǒng)豐富,運算速度快,編程效率高. 其內(nèi)部集成有中斷控制器、定時器、高速輸入/ 輸出接口、串行接口、并行接口及10 位A/ D 轉(zhuǎn)換接口等.
由流量傳感器輸出的脈沖信號經(jīng)放大整形后,驅(qū)動光電偶合器,光電偶合器輸出信號經(jīng)與施密特觸發(fā)器CD4093 整形后送入單片機(jī)的輸入端口. 流量計的輸入信號采用光電隔離措施是為了提高系統(tǒng)的抗*力.
由8279 微處理器芯片控制鍵盤的數(shù)據(jù)輸入和LED 的數(shù)據(jù)顯示,并以不同的發(fā)光二極管指示當(dāng)前顯示數(shù)據(jù)的性質(zhì)和單位. 鍵盤采用4 ×4 行列掃描式鍵盤,用于設(shè)置油耗儀的測量模式和輸入控制命令(如測量瞬時油耗、測量平均油耗、打印表格、聯(lián)機(jī)通訊等) . 顯示模塊采用8 位8 段LED顯示器,用于顯示油耗儀的狀態(tài)、測量數(shù)值及時間日期等.
由8255 微處理器芯片控制打印機(jī)和單位的顯示. 油耗儀可外接打印機(jī),分用命令打印及定時打印2 種方式. 采用MP2D1628/ 8 + 面板嵌入式前換紙面板微型打印機(jī),從而能方便地更換打印紙和可靠地打印數(shù)據(jù).
擴(kuò)展功能如燃油密度、溫度和柴油機(jī)功率等可由單片機(jī)80C196KB A/ D 通道轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)送入. 由于采用了RS2422 及RS2232C 這2 個串行口,可以很方便地與其他計算機(jī)聯(lián)機(jī),構(gòu)成計算機(jī)輔助測試系統(tǒng).
2 檢測電路的設(shè)計原理
由于流量傳感器所測量的燃油流量,以頻率的形式輸出,即流量與頻率成正比. 所以為了能在較寬的測量范圍內(nèi)獲得高精度與快速響應(yīng)的流量值,油耗儀檢測電路對流量傳感器輸出脈沖信號采用定時測頻法,設(shè)計了基于單片機(jī)的高精度數(shù)字同步測頻電路. 該電路是利用單片機(jī)的內(nèi)部計數(shù)器和程序運算功能,進(jìn)行高精度頻率測量和顯示,因此不需要其他的測量輔助電路. 當(dāng)輸入信號頻率變化較大時,該測量裝置能以相同的有效位數(shù)來測量信號頻率及其變化.
傳統(tǒng)測頻方法的閘門時間是固定的,所以對于任意的f x 都不能保證在T 時間內(nèi)正好有N 個脈沖,因此會產(chǎn)生*大±1 個量化誤差. 為了消除對被測信號計數(shù)產(chǎn)生的l 個字誤差,設(shè)計了采用單片機(jī)的高精度數(shù)字同步測頻電路,其基本框圖如圖2所示. 先由單片機(jī)給出閘門開啟信號,此時計數(shù)器并不計數(shù),而是等到被測信號的上升沿到來時,才開始計數(shù). 然后,由2 組計數(shù)器分別對被測信號和時標(biāo)脈沖計數(shù). 當(dāng)單片機(jī)給出閘門關(guān)閉信號后,計數(shù)器并不立即停止計數(shù),而是等到被測信號下降沿到來的時刻才結(jié)束計數(shù),完成一次測量過程. 可以看出,實際閘門與設(shè)定的閘門并不嚴(yán)格相等,但*大差值不超過被測信號的一個周期. 它的原理是利用單片機(jī)的2 個16 位的定時器/ 計數(shù)器分別用來記錄輸入脈沖f o 和門時定時時間,單片機(jī)的外部中斷功能可方便地實現(xiàn)測頻閘門開關(guān)與被測信號的跳變沿同步.
其波形時序分別如圖3 所示(fosc 為單片機(jī)時鐘) . 設(shè)T 1和T 0分別設(shè)置為計數(shù)器和定時器來對輸入信號和時標(biāo)信號進(jìn)行計數(shù), T 1的初始值為0 , T 0初始值為設(shè)定值. 當(dāng)單片機(jī)的采用12 MHz 晶振時計數(shù)器頻率為1 MHz. 外部中斷INT1 可設(shè)置為邊沿觸發(fā),初始化時打開INT1 和定時器T0 的中斷允許. 在t1 時刻, 輸入信號的上跳沿產(chǎn)生一次中斷時, 打開T I 和 T 0的計數(shù)閘門,同時關(guān)閉INT1 中斷,當(dāng)T 0計數(shù)滿溢出時,可產(chǎn)生中斷,記錄自身的中斷次數(shù);在t2 時刻當(dāng)T 0計數(shù)滿溢出達(dá)到15 次時累計為1 s ,再次開放INTl 的中斷允許; T0將從0 繼續(xù)開始計數(shù),直到t3 時刻由輸入信號產(chǎn)生**次INT1 中斷,然后同時關(guān)閉T1 和T0 .
完成一次測量過程(這樣可以保證輸入脈沖的完整使計數(shù)器的量化誤差dN1/ N1 = 0) , T1 中的計數(shù)值代表了輸入信號完整的N1 個周期. 設(shè)T0 中的“剩余”讀數(shù)為N2 ,則被測信號的頻率可由下式計算:
f x = N1/ ( N2 + 1 ×106) .
測量完成后,系統(tǒng)將從T 0和T 1讀出計數(shù)值并計算出f x . 為了保證計算精度和數(shù)據(jù)的有效位數(shù),在軟件設(shè)計中應(yīng)采用浮點運算.測量的相對誤差為
df x/ f x = dN1/ N1 - dN0/ N0 = - dN0/ N0
式中:dN1/ N1 為計數(shù)器的量化誤差, dN1/ N1 =0 ,dN0/ N0 為定時器產(chǎn)生的量化誤差,*大為±1脈沖周期(在本電路中為±1μs. ) 因此,它主要取決于單片機(jī)時鐘頻率fosc.
3 測量軟件結(jié)構(gòu)
平均油耗率是在一段時間內(nèi)發(fā)動機(jī)平均消耗的燃油量,用于表示發(fā)動機(jī)穩(wěn)定工況下的油耗特性. 平均耗油率的測量通常有2 種方法,即“定時測量法”和“定量測量法”.
選用“定時測量法”,既測量該時間段內(nèi)消耗的燃油量,就可計算出該段時間內(nèi)的平均耗油率.這種測量方法具有較高的測量精度,并且測量時間愈長或油耗量愈多,則平均耗油率的精度愈高.測量軟件可按功能分為幾個部分,即程序初始化、鍵入控制單元、定時平均油耗測量、瞬時油耗率測量、數(shù)據(jù)打印功能、聯(lián)機(jī)通訊及顯示功能等. 軟件先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化和自檢. 測控系統(tǒng)軟件流程圖見圖4.
4 結(jié)束語
YHY23 型柴油機(jī)油耗儀已于1999 年10 月交付給有關(guān)造船廠,通過3 年的試用情況表明該油耗儀能滿足船舶柴油機(jī)、柴油機(jī)臺架試車及柴油機(jī)檢修工作的需要.
