在現(xiàn)代生活中，汽車已經(jīng)成為人們必不可缺的一種交通工具，汽車生產(chǎn)、使用成本相當(dāng)大部分來源于每日消耗的汽車燃油。汽車燃油的消耗已引起了相關(guān)管理部門的重視，但因汽車燃油沒有較準(zhǔn)確的計量裝置而無法落實管理。因此，采取安裝燃油計量裝置的方案實現(xiàn)對汽車的實時監(jiān)測，便于考核汽車的經(jīng)濟指標(biāo)和杜絕浪費燃油的現(xiàn)象。同時，節(jié)約燃油不僅有直接的經(jīng)濟效益，對減少汽車尾氣污染、保護環(huán)境也起到積極的作用。

 

    1 渦輪流量計的原理與組成結(jié)構(gòu)

 

    1.1 渦輪流量計的基本原理

 

    渦輪流量計是一種速度式流量計，其由渦輪流量傳感器和流量顯示儀表組成。當(dāng)流量計工作時，被測流體沖擊渦輪葉片，使渦輪旋轉(zhuǎn)，渦輪的轉(zhuǎn)速隨流量的變化而變化，即流量大，渦輪的轉(zhuǎn)速也大，再經(jīng)磁電轉(zhuǎn)換裝置把渦輪的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換為相應(yīng)頻率的電脈沖，經(jīng)前置放大器放大后，送入流量顯示儀表進(jìn)行計數(shù)和顯示，根據(jù)單位時間內(nèi)的脈沖數(shù)和累計脈沖數(shù)即可求出瞬時流量和累積流量。

 

       （1）

 

    式中：Q為流經(jīng)傳感器的流量（m3/s）；

 

    f為電脈沖頻率（Hz）；

 

    k為儀表系數(shù)（1/m3）。

 

    渦輪傳感器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動并沖擊渦輪葉片時，便有管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時，葉片周期性地切割電磁鐵產(chǎn)生的磁力線，改變線圈的磁通量。根據(jù)電磁感應(yīng)原理，在線圈內(nèi)將感應(yīng)出脈動的電勢信號，此脈動信號的頻率與被測流體的流量成正比，k是渦輪傳感器的重要特性參數(shù)，其代表每立方米流量有幾個脈沖，或者每升流量有幾個脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長期使用的磨損情況而變化。盡管渦輪流量計的設(shè)計尺寸相同，但實際加工出來的渦輪幾何參數(shù)卻不會完全一樣，因而每臺渦輪傳感器的儀表常數(shù)k也不完全一樣，其通常是制造廠在常溫下用潔凈的水標(biāo)定出來的。渦輪傳感器輸出的脈沖信號，經(jīng)前置放大器放大后，送入顯示儀表，就可以實現(xiàn)流量的測量。

 

    1.2 渦輪流量計的組成結(jié)構(gòu)

 

    渦輪流量計工作的大致流程如圖1所示，其由負(fù)責(zé)流量檢測部分的流量傳感器和采集數(shù)據(jù)及顯示數(shù)據(jù)的流量顯示儀表兩部分組成。

 

 

 

圖1 渦輪流量計示意圖

 

    1.2.1 渦輪流量傳感器的結(jié)構(gòu)

 

    渦輪流量傳感器主要由殼體1、導(dǎo)向體2、葉輪3、軸和軸承5、信號檢出器及壓緊圈6組成，同時還應(yīng)配有與之相配合的前連接管7和后連接管8。具體各個部件的配合如圖2所示。

 

 

 

圖2 渦輪流量計傳感器結(jié)構(gòu)

 

    （1）殼體。殼體是傳感器的主體部分，其起到承受被測液體的壓力、固定安裝檢測部件、連接管道的作用，殼體采用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬質(zhì)合金制造。對于大口徑傳感器，亦可用碳鋼與不銹鋼組合的鑲嵌結(jié)構(gòu)，殼體外壁裝信號檢出器。

 

    （2）導(dǎo)向體。在傳感器進(jìn)出口裝有導(dǎo)向體，其對流體起導(dǎo)向整流以及支承葉輪的作用，通常選用不導(dǎo)磁不銹鋼或硬鋁材料制作。

 

    （3）渦輪。亦稱葉輪，是傳感器的檢測部件，其由高導(dǎo)磁性材料制成。葉輪有直板葉片、螺旋葉片和丁字形葉片等幾種，亦可用嵌有許多導(dǎo)磁體的多孔護罩環(huán)來增加有一定數(shù)量葉片渦輪旋轉(zhuǎn)的頻率，葉輪由支架中軸承支承，與殼體同軸，其葉片數(shù)視口徑大小而定。葉輪幾何形狀及尺寸對傳感器性能有較大影響，要根據(jù)流體性質(zhì)、流量范圍、使用要求等設(shè)計，葉輪的動平衡很重要，直接影響儀表的性能和使用壽命。

 

    （4）軸與軸承。其支承葉輪旋轉(zhuǎn)，需有足夠的剛度、強度和硬度、耐磨性、耐腐蝕性等。其決定著傳感器的可靠性和使用期限。傳感器失效通常是由軸與軸承引起的，因此它的結(jié)構(gòu)與材料的選用以及維護是重要問題。

 

    （5）信號檢出器。常用變磁阻式，由永久磁鐵、導(dǎo)磁棒（鐵芯）、線圈等組成。永久磁鐵對葉片有吸引力，產(chǎn)生磁阻力矩，小口徑傳感器在小流量時，磁阻力矩在諸阻力矩中成為主要項，為此將永久磁鋼分為大小兩種規(guī)格，小口徑配小規(guī)格以降低磁阻力矩。輸入信號有效值在10mV以上的可直接配用流量計算機，配上放大器則輸出伏級頻率信號。

 

    （6）壓緊圈。為了固定導(dǎo)向體，應(yīng)配有合適的壓緊圈。

 

    （7）前后連接管。為了能更加準(zhǔn)確地測量液體的流量，殼體前后應(yīng)該連接長度相當(dāng)于管徑10倍以上的前連接管和相當(dāng)于管徑5倍以上的后連接管。

 

    1.2.2 渦輪流量顯示儀表的結(jié)構(gòu)

 

    流量顯示儀表是以單片機為核心的能夠反映流體流速和流量的顯示儀表。其主要由和流量傳感器配合工作的微控制器系統(tǒng)及能夠顯示當(dāng)前狀態(tài)的顯示器組成。該系統(tǒng)的流量顯示儀表要求能夠顯示汽車的累計流量、分段流量和瞬時流速。作為實現(xiàn)該系統(tǒng)功能的重點模塊，需進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計。

 

    2 渦輪流量計流量顯示儀的研究設(shè)計

 

    2.1 系統(tǒng)硬件

 

    設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)時，要結(jié)合軟件方案一并考慮。硬件結(jié)構(gòu)與軟件方案發(fā)生相互影響時，考慮的原則是：功能盡可能由軟件實現(xiàn)，以簡化硬件結(jié)構(gòu)。這樣可以減小硬件的復(fù)雜性，所付出的代價是占用較長的CPU運行時間。

 

    根據(jù)流量顯示儀的功能要求，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。硬件系統(tǒng)包括單片機控制器模塊、傳感器信號輸入模塊、液晶顯示模塊、面板按鍵模塊及汽車電源供電模塊。

 

 

 

圖3 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

 

    單片機控制器模塊主要由單片機構(gòu)成，是信號處理、計算的核心，也是整個流量顯示儀運行的核心部分。EEPROM起到存儲數(shù)據(jù)的功能，是單片機外接的一個存儲組件。其他大部分模塊都受單片機控制器模塊的控制或通過單片機控制器而起作用。

 

    傳感器信號輸入模塊是指流量信號的整形輸入。流量信號需要進(jìn)行整形、放大等處理，然后被單片機控制器的計數(shù)模塊識別并計數(shù)。

 

    液晶顯示模塊包括顯示驅(qū)動電路及顯示器。

 

    面板按鍵模塊由面板按鍵電路及按鍵組成。

 

    汽車電源供電模塊包括供電電路和設(shè)備供電電源。

 

    2.2 系統(tǒng)軟件

 

    設(shè)計流量顯示儀軟件時遵循的原則為：軟件設(shè)計采用自頂向下逐步細(xì)化的設(shè)計方法，將一個復(fù)雜的問題分解為多個小模塊；軟件的設(shè)計模塊化，各個模塊盡量保持獨立，少使用條件轉(zhuǎn)移語句，便于調(diào)試、移植和修改；盡量避免中斷嵌套的出現(xiàn)；軟件編程要盡可能地降低功耗。

 

    軟件主程序流程圖如圖4所示。

 

 

 

圖4 主程序流程圖

 

    3 總結(jié)

 

    渦輪流量計是流量測量領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的流量計，具有測量精度高、重復(fù)性好、體積小、質(zhì)量輕、維修方便、加工零部件少及數(shù)字脈沖輸出等優(yōu)點。同時，渦輪流量計的輸出信號為脈沖頻率，因此適用于總量和瞬時流量的計量與控制，而且易于遠(yuǎn)距離傳輸，信號的抗干擾能力也較強。

 

    作者設(shè)計了一種流量計顯示儀，能夠滿足各方面的顯示要求。這種流量顯示儀能夠?qū)崟r地反映當(dāng)前燃油的累計流量、分段流量和瞬時流量，為駕駛員實時掌握油耗和公司管理人員控制管理公司成本提供了準(zhǔn)確和可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

 

    參考文獻(xiàn)：

 

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    [3]張濤，盧皚，李剛，等．高性能智能流量積算儀［J］．自動化儀表，2001，22（1）：17－19．

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