采用橢圓齒輪流量計為傳感器的船用柴油機智能燃油消耗儀，柴油機的燃油消耗量(率) 是柴油機測量的重要參數(shù),也是評價柴油機性能及其*性的主要指標之一. 目前用于柴油機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)流量傳感器進入發(fā)動機,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 單片機系統(tǒng)、打印機、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和單位的顯示. 油耗儀可外接打印機,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,從而能方便地更換打印紙和可靠地打印數(shù)據(jù).
擴展功能如燃油密度、溫度和柴油機功率等可由單片機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聯(lián)機,構(gòu)成計算機輔助測試系統(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)計了基于單片機的高精度數(shù)字同步測頻電路. 該電路是利用單片機的內(nèi)部計數(shù)器和程序運算功能,進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脈沖計數(shù). 當單片機給出閘門關(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信號進行計數(shù), T 1的初始值為0 , T 0初始值為設(shè)定值. 當單片機的采用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T 0計數(shù)滿溢出達到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)動機平均消耗的燃油量,用于表示發(fā)動機穩(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)機通訊及顯示功能等. 軟件先對系統(tǒng)進行初始化和自檢. 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、柴油機臺架試車及柴油機檢修工作的需要.
