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JKM-LWGY涡轮流量计测量燃油传感器故障仿真与研究
浏览:46 发布日期:2018-07-12
引言
  流量是现代工业丈量过程中的一个重要参数,涡轮番量传感器涡轮转子轻、惯性小,因而丈量精度高、量程范围宽、反复性与动态特性好[1]。因而,各国的发起机试车台多运用涡轮番量传感器丈量发起机燃油流量[2]。涡轮番量传感器属于速度式流量仪表,当被测流体流过传感器时,在流体作用下,叶轮受力而旋转,转速与管道内流体流速成正比,叶轮转动后周期性地改动磁电转换器的磁阻值,检测线圈中的磁通随之发作周期性变化,产生周期性的感应电势,即电脉冲信号[3],流量传感器输出的脉冲信号频率代表流量大小,流量与信号频率在一定区间内近似成线性关系[4]。无人机燃油耗费量属重要参数,丈量意义严重,有利于准确飞行计划,有效进步载油应用率[5]。在停止无人机燃油流量检查过程中,发起机在低速状态下开车,燃油流量丈量不精确。本文主要对此毛病停止仿真剖析及实验考证。
1丈量原理 
1.1工作原理由于叶轮的叶片与流向有一定角度,当燃油冲击涡轮转子时,流体的冲击作用产生推进力矩,克制流量传感器支撑轴承与转子之间的机械摩擦力矩以及由于流体粘性作用产生的液体阻力之后使转子开端运动[1],涡轮番量传感器构造原理如图1所示。
燃油涡轮番量传感器构造图
  在叶轮上的磁铁产生磁场,固定在传感器内部的线圈组件处于磁场中,如图2所示,当燃油经过传感器内腔后,燃油的流速驱动叶轮旋转,带动叶轮上的磁铁旋转,此时线圈组件感应的磁通量也周期发作变化。
涡轮番量计叶轮-线圈磁场原理图
依据电磁感应原理,线圈的磁通量发作变化,相应产生感应电势:
 
N为线圈的匝数,ΔΦ为磁通质变化,ΔT为变化时间。因而,燃油流过涡轮番量传感器时,线圈会产生周期变化电压,即叶轮转动一圈,就会感应出一个正弦信号,叶轮连续转动,就会周期的产生正弦信号。经过信号处置转换为脉冲信号,涡轮番量传感器稳定运转输出的脉冲频率与流经流量传感器的流量理论关系如下[6]:
 
Q为经过涡轮番量传感器的体积流量(L/s),f为脉冲信号频率(Hz),k为仪表系数(1/L)。
  信号处置单元主要完成交流信号处置及数据通讯,首先将交流信号转为脉冲信号,其次单片机控制器经过光耦电气隔离采集并计算脉冲频率,根据标定的流量和频率关系计算相应燃油流量,最后将数据写入串口通讯模块,经由电气接口发至机载计算机。
1.2信号转换及处置
  涡轮番量传感器中的叶轮旋转时,线圈周期产生幅值为数十毫安至数百毫安的微小交流信号,经过第一级运算放大器将微小交流信号停止放大并限幅,消弭幅值为负的信号。再经过第二级比拟器,比拟电压为零,输入电压大于零时,输出高电平,否则输出低电平,行将交流信号转换为脉冲信号。脉冲经过光耦停止电气隔离,电信号单向传输,由单片机采集光耦信号输出的通断频率,即为原始信号频率值,再经过预先标定的频率与流量关系,计算可得原始信号对应的燃油流量,信号转换过程如图3所示。
涡轮番量计信号变换过程 
  在涡轮番量传感器标定实验台中停止传感器标定,针对主流量点(100L/h、150L/h、300L/h、600L/h)输入相应流量的燃油流经涡轮传感器,运用频率采集设备丈量脉冲频率,并输入的流量与采集到的频率相关联,得到表1中标定结果。
2毛病现象经过空中电源为设备上电后,发起机在低转速状态下开车,在空中控制站人机交互界面查看到燃油流量在500L/h~1500L/h跳动,曾经超越传感器实践丈量范围,此时理论值:
涡轮番量传感器频率 
应为80L/h~100L/h。经过剖析飞参记载设备中的数据,得到图4中曲线。
涡轮番量计飞参记载设备中燃油流量曲线 
  由曲线能够看出,在发起机未起动时,燃油流量为0L/h,毛病未呈现;在发起机起动至最低转速时,燃油流量呈现异常,在500L/h~1500L/h随机跳动;在转速到达最大转速时,燃油流量为260L/h,毛病消逝。
经过剖析燃油涡轮番量传感器工作原理及现场环境,呈现上述毛病缘由可能为外界磁场耦合进涡轮番量传感器线圈,使得原始微小交流信号混入干扰信号,且此时信噪比拟低,干扰信号起主导作用,信号处置单元将混入干扰的信号处置后计算得到的频率较高,由脉冲频率与燃油流量成线性对应关系,即会呈现较大的燃油流量。
3建模拟真及考证
3.1建模拟真
  为进一步剖析毛病缘由,依据涡轮番量传感器的信号转换过程树立逻辑模型,在不同频率段参加频率为50Hz的外界干扰,查看脉冲频率变化状况。
将表1中数据拟合为线性函数,得到如下燃油涡轮番量传感器产生脉冲的频率和燃油流量的关系:
 
燃油流量产生的微小交流信号为:
假定外界电磁干扰作用于涡轮番量传感器产生的干扰为:
涡轮传感器线圈输出信号为:
限幅后的信号为:
转换为脉冲信号:Max为脉冲幅值。
  基于simulink树立燃油涡轮番量传感器的逻辑模型,如图5所示。由于S-function能够用连续或离散状态方程描绘动态系统模块,因而,涡轮番量传感器线圈磁-电转换、波形限幅、交流转脉冲等模块基于M-file模板编写S-function来完成[7-8]。
涡轮番量传感器逻辑模型 
  分别设定理论燃油流量为表1中标定的下限100L/h和上限600L/h,涡轮番量传感器信号输出及脉冲输出如图6所示。
涡轮番量计仿真运转结果 
  仿真结果标明,在低流量时,涡轮番量传感器原始微小交流信号过零比拟处,脉冲频率较高,且幅值不稳定。而在高流量时,脉冲信号频率与真实信号频率相近,幅值稳定。
仿真结果与毛病现象分歧,初步推断涡轮番量传感器毛病缘由为外界磁场干扰。
3.2  
  考证实验为肯定毛病缘由,在燃油测试台中停止考证实验,设定供应至涡轮番量传感器的燃油真实流量为90L/h,经过继电器控制外置线圈通/断电,频率为50 Hz,模仿外界电磁干扰,分别用两台示波器检测到涡轮番量传感器线圈输出信号和脉冲输出信号,如图7所示。 
  实验结果标明,在未参加外界干扰时,原始微小交流信号及脉冲信号电气特性良好,脉冲最高幅值稳定,光耦能够正常通/断,单片机计算得出脉冲信号频率值。而参加外界干扰后,原始信号呈现明显畸变,幅值在22mV左右,转换脉冲信号最高幅值不稳定 (1.7V~1.0V),且最低幅值亦有突变,招致光耦呈现异常通/断,最终招致单片机计算出的频率较真实图7线圈输出波形及脉冲转换波形频率较高,在500L/h~1 500L/h之间跳动。
涡轮番量计线圈输出波形及脉冲转换波形 
  经进一步剖析,由于叶轮的机械特性,在高流量段工作时,叶轮转速和燃油流量成线性的正比关系,在低流量段工作时,叶轮转速和燃油流量成非线性的关系,流量越小,转速降落得越快。供油管路的燃油流量在低流量段时,传感器叶轮的转速会降得很低,线圈的感应电势E会跟着变小,即信号的电压呈非线性的加速降落,这阐明传感器曾经工作在非线性流量段,由于叶轮转速太低,感应的信号很弱小,在存在电源噪声和干扰的状况下,信号处置单元无法辨别真实信号和干扰信号,招致燃油丈量不精确。 
4 完毕语 
  针对燃油涡轮番量传感器在低流量段呈现流量不精确的毛病,剖析了其工作原理及信号转换过程,树立了其逻辑模型,最后,停止了毛病仿真及考证实验。最终肯定了毛病缘由为外界磁场干扰,扫除毛病可思索以下两种措施: 
1)在涡轮番量传感器中设计电磁屏蔽构造,阻止外界电磁干扰耦合进线圈; 
2)信号处置单元中的采用滞回比拟器电路,能够过滤外界干扰形成的电压动摇。


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