采用椭圆齿轮流量计为传感器的船用柴油机智能燃油消耗仪，柴油机的燃油消耗量(率) 是柴油机测量的重要参数,也是评价柴油机性能及其*性的主要指标之一. 目前用于柴油机台架试车的自动燃油油耗测量仪表,通常采用的方法有容积法、重量法,传统油耗仪的主要缺点是体积大和单位时间燃油的流量小,无法对油耗进行高精度、快速响应的测量,没有数据通讯功能,智能化水平不高. 为此,根据大功率船用柴油机的特点研制了一种采用椭圆齿轮流量计为传感器的船用柴油机智能燃油消耗仪. 该油耗仪具有结构简单、使用方便、精度高等特点. 本文仅对其结构、工作原理及测控单元做一简单介绍.
常规的容积法和重量法的测量精度较高,但不能测量瞬时耗油率,只适用于内燃机稳定工况下燃油消耗率的测定. 流量计法可以测量瞬时耗油和累加流量. 系统框图如图1 所示. 燃油经流量传感器进入发动机,流量传感器测量燃油流量,以脉冲(频率改变) 形式输出电信号.
1. 1 测控单元电路设计
油耗仪测控单元是本系统的核心之一,要求具有很高的可靠性、良好的实时性和可扩充性,使用方便和耐用.
本测控单元电路应具有如下功能:1) 测量燃油流量;2) 数据显示和输出; 3) 键盘输入;4) 数据打印输出;5) 网络通讯功能;6) 具有可扩充性(如密度、功率测量等功能) .
1. 2 硬件结构
油耗仪测控单元电路原理如图2 所示. 主要由测流量电路、CPU 单片机系统、打印机、控制键盘、LED 数码管显示、通讯接口等组成. 测控单元的CPU 选用Intel 公司高性能16 位单片机80C196KB 作为核心(工作频率为12 MHz) . 其指令系统丰富,运算速度快,编程效率高. 其内部集成有中断控制器、定时器、高速输入/ 输出接口、串行接口、并行接口及10 位A/ D 转换接口等.
由流量传感器输出的脉冲信号经放大整形后,驱动光电偶合器,光电偶合器输出信号经与施密特触发器CD4093 整形后送入单片机的输入端口. 流量计的输入信号采用光电隔离措施是为了提高系统的抗*力.
由8279 微处理器芯片控制键盘的数据输入和LED 的数据显示,并以不同的发光二极管指示当前显示数据的性质和单位. 键盘采用4 ×4 行列扫描式键盘,用于设置油耗仪的测量模式和输入控制命令(如测量瞬时油耗、测量平均油耗、打印表格、联机通讯等) . 显示模块采用8 位8 段LED显示器,用于显示油耗仪的状态、测量数值及时间日期等.
由8255 微处理器芯片控制打印机和单位的显示. 油耗仪可外接打印机,分用命令打印及定时打印2 种方式. 采用MP2D1628/ 8 + 面板嵌入式前换纸面板微型打印机,从而能方便地更换打印纸和可靠地打印数据.
扩展功能如燃油密度、温度和柴油机功率等可由单片机80C196KB A/ D 通道转换成数据送入. 由于采用了RS2422 及RS2232C 这2 个串行口,可以很方便地与其他计算机联机,构成计算机辅助测试系统.
2 检测电路的设计原理
由于流量传感器所测量的燃油流量,以频率的形式输出,即流量与频率成正比. 所以为了能在较宽的测量范围内获得高精度与快速响应的流量值,油耗仪检测电路对流量传感器输出脉冲信号采用定时测频法,设计了基于单片机的高精度数字同步测频电路. 该电路是利用单片机的内部计数器和程序运算功能,进行高精度频率测量和显示,因此不需要其他的测量辅助电路. 当输入信号频率变化较大时,该测量装置能以相同的有效位数来测量信号频率及其变化.
传统测频方法的闸门时间是固定的,所以对于任意的f x 都不能保证在T 时间内正好有N 个脉冲,因此会产生*大±1 个量化误差. 为了消除对被测信号计数产生的l 个字误差,设计了采用单片机的高精度数字同步测频电路,其基本框图如图2所示. 先由单片机给出闸门开启信号,此时计数器并不计数,而是等到被测信号的上升沿到来时,才开始计数. 然后,由2 组计数器分别对被测信号和时标脉冲计数. 当单片机给出闸门关闭信号后,计数器并不立即停止计数,而是等到被测信号下降沿到来的时刻才结束计数,完成一次测量过程. 可以看出,实际闸门与设定的闸门并不严格相等,但*大差值不超过被测信号的一个周期. 它的原理是利用单片机的2 个16 位的定时器/ 计数器分别用来记录输入脉冲f o 和门时定时时间,单片机的外部中断功能可方便地实现测频闸门开关与被测信号的跳变沿同步.
其波形时序分别如图3 所示(fosc 为单片机时钟) . 设T 1和T 0分别设置为计数器和定时器来对输入信号和时标信号进行计数, T 1的初始值为0 , T 0初始值为设定值. 当单片机的采用12 MHz 晶振时计数器频率为1 MHz. 外部中断INT1 可设置为边沿触发,初始化时打开INT1 和定时器T0 的中断允许. 在t1 时刻, 输入信号的上跳沿产生一次中断时, 打开T I 和 T 0的计数闸门,同时关闭INT1 中断,当T 0计数满溢出时,可产生中断,记录自身的中断次数;在t2 时刻当T 0计数满溢出达到15 次时累计为1 s ,再次开放INTl 的中断允许; T0将从0 继续开始计数,直到t3 时刻由输入信号产生**次INT1 中断,然后同时关闭T1 和T0 .
完成一次测量过程(这样可以保证输入脉冲的完整使计数器的量化误差dN1/ N1 = 0) , T1 中的计数值代表了输入信号完整的N1 个周期. 设T0 中的“剩余”读数为N2 ,则被测信号的频率可由下式计算:
f x = N1/ ( N2 + 1 ×106) .
测量完成后,系统将从T 0和T 1读出计数值并计算出f x . 为了保证计算精度和数据的有效位数,在软件设计中应采用浮点运算.测量的相对误差为
df x/ f x = dN1/ N1 - dN0/ N0 = - dN0/ N0
式中:dN1/ N1 为计数器的量化误差, dN1/ N1 =0 ,dN0/ N0 为定时器产生的量化误差,*大为±1脉冲周期(在本电路中为±1μs. ) 因此,它主要取决于单片机时钟频率fosc.
3 测量软件结构
平均油耗率是在一段时间内发动机平均消耗的燃油量,用于表示发动机稳定工况下的油耗特性. 平均耗油率的测量通常有2 种方法,即“定时测量法”和“定量测量法”.
选用“定时测量法”,既测量该时间段内消耗的燃油量,就可计算出该段时间内的平均耗油率.这种测量方法具有较高的测量精度,并且测量时间愈长或油耗量愈多,则平均耗油率的精度愈高.测量软件可按功能分为几个部分,即程序初始化、键入控制单元、定时平均油耗测量、瞬时油耗率测量、数据打印功能、联机通讯及显示功能等. 软件先对系统进行初始化和自检. 测控系统软件流程图见图4.
4 结束语
YHY23 型柴油机油耗仪已于1999 年10 月交付给有关造船厂,通过3 年的试用情况表明该油耗仪能满足船舶柴油机、柴油机台架试车及柴油机检修工作的需要.
