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  發(fā)布時(shí)間:2016-12-05

燃油渦輪流量傳感器故障仿真與研究

0引言
  流量是現(xiàn)代工業(yè)測量過程中的一個(gè)重要參數(shù),渦輪流量傳感器渦輪轉(zhuǎn)子輕、慣性小,因此測量精度高、量程范圍寬、重復(fù)性與動(dòng)態(tài)特性好[1]。因此,各國的發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)多使用渦輪流量傳感器測量發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量[2]。渦輪流量傳感器屬于速度式流量儀表,當(dāng)被測流體流過傳感器時(shí),在流體作用下,葉輪受力而旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)速與管道內(nèi)流體流速成正比,葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)后周期性地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值,檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化,產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電勢,即電脈沖信號(hào)[3],流量傳感器輸出的脈沖信號(hào)頻率代表流量大小,流量與信號(hào)頻率在一定區(qū)間內(nèi)近似成線性關(guān)系[4]。無人機(jī)燃油消耗量屬重要參數(shù),測量意義重大,有利于正確飛行方案,有效提高載油利用率[5]。在進(jìn)行無人機(jī)燃油流量檢查過程中,發(fā)動(dòng)機(jī)在低速狀態(tài)下開車,燃油流量測量不準(zhǔn)確。本文主要對(duì)此故障進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證。
1測量原理 
1.1工作原理由于葉輪的葉片與流向有一定角度,當(dāng)燃油沖擊渦輪轉(zhuǎn)子時(shí),流體的沖擊作用產(chǎn)生推動(dòng)力矩,克服流量傳感器支撐軸承與轉(zhuǎn)子之間的機(jī)械摩擦力矩以及由于流體粘性作用產(chǎn)生的液體阻力之后使轉(zhuǎn)子開始運(yùn)動(dòng)[1],渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
燃油渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)圖
  在葉輪上的磁鐵產(chǎn)生磁場,固定在傳感器內(nèi)部的線圈組件處于磁場中,如圖2所示,當(dāng)燃油通過傳感器內(nèi)腔后,燃油的流速驅(qū)動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn),帶動(dòng)葉輪上的磁鐵旋轉(zhuǎn),此時(shí)線圈組件感應(yīng)的磁通量也周期發(fā)生變化。
渦輪流量計(jì)葉輪-線圈磁場原理圖
根據(jù)電磁感應(yīng)原理,線圈的磁通量發(fā)生變化,相應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)電勢:

N為線圈的匝數(shù),ΔΦ為磁通量變化,ΔT為變化時(shí)間。因此,燃油流過渦輪流量傳感器時(shí),線圈會(huì)產(chǎn)生周期變化電壓,即葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,就會(huì)感應(yīng)出一個(gè)正弦信號(hào),葉輪連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng),就會(huì)周期的產(chǎn)生正弦信號(hào)。經(jīng)過信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào),渦輪流量傳感器穩(wěn)定運(yùn)行輸出的脈沖頻率與流經(jīng)流量傳感器的流量理論關(guān)系如下[6]:

Q為通過渦輪流量傳感器的體積流量(L/s),f為脈沖信號(hào)頻率(Hz),k為儀表系數(shù)(1/L)。
  信號(hào)處理單元主要實(shí)現(xiàn)交流信號(hào)處理及數(shù)據(jù)通信,首先將交流信號(hào)轉(zhuǎn)為脈沖信號(hào),其次單片機(jī)控制器通過光耦電氣隔離采集并計(jì)算脈沖頻率,依據(jù)標(biāo)定的流量和頻率關(guān)系計(jì)算相應(yīng)燃油流量,最后將數(shù)據(jù)寫入串口通信模塊,經(jīng)由電氣接口發(fā)至機(jī)載計(jì)算機(jī)。
1.2信號(hào)轉(zhuǎn)換及處理
  渦輪流量傳感器中的葉輪旋轉(zhuǎn)時(shí),線圈周期產(chǎn)生幅值為數(shù)十毫安至數(shù)百毫安的微小交流信號(hào),經(jīng)過第一級(jí)運(yùn)算放大器將微小交流信號(hào)進(jìn)行放大并限幅,消除幅值為負(fù)的信號(hào)。再經(jīng)過第二級(jí)比較器,比較電壓為零,輸入電壓大于零時(shí),輸出高電平,否則輸出低電平,即將交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。脈沖經(jīng)過光耦進(jìn)行電氣隔離,電信號(hào)單向傳輸,由單片機(jī)采集光耦信號(hào)輸出的通斷頻率,即為原始信號(hào)頻率值,再通過預(yù)先標(biāo)定的頻率與流量關(guān)系,計(jì)算可得原始信號(hào)對(duì)應(yīng)的燃油流量,信號(hào)轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。
渦輪流量計(jì)信號(hào)變換過程
  在渦輪流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)中進(jìn)行傳感器標(biāo)定,針對(duì)主流量點(diǎn)(100L/h、150L/h、300L/h、600L/h)輸入相應(yīng)流量的燃油流經(jīng)渦輪傳感器,使用頻率采集設(shè)備測量脈沖頻率,并輸入的流量與采集到的頻率相關(guān)聯(lián),得到表1中標(biāo)定結(jié)果。
2故障現(xiàn)象通過地面電源為設(shè)備上電后,發(fā)動(dòng)機(jī)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下開車,在地面控制站人機(jī)交互界面查看到燃油流量在500L/h~1500L/h跳動(dòng),已經(jīng)超過傳感器實(shí)際測量范圍,此時(shí)理論值:
渦輪流量傳感器頻率
應(yīng)為80L/h~100L/h。通過分析飛參記錄設(shè)備中的數(shù)據(jù),得到圖4中曲線。
渦輪流量計(jì)飛參記錄設(shè)備中燃油流量曲線
  由曲線可以看出,在發(fā)動(dòng)機(jī)未起動(dòng)時(shí),燃油流量為0L/h,故障未出現(xiàn);在發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)至最低轉(zhuǎn)速時(shí),燃油流量出現(xiàn)異常,在500L/h~1500L/h隨機(jī)跳動(dòng);在轉(zhuǎn)速達(dá)到最大轉(zhuǎn)速時(shí),燃油流量為260L/h,故障消失。
通過分析燃油渦輪流量傳感器工作原理及現(xiàn)場環(huán)境,出現(xiàn)上述故障原因可能為外界磁場耦合進(jìn)渦輪流量傳感器線圈,使得原始微小交流信號(hào)混入干擾信號(hào),且此時(shí)信噪比較低,干擾信號(hào)起主導(dǎo)作用,信號(hào)處理單元將混入干擾的信號(hào)處理后計(jì)算得到的頻率較高,由脈沖頻率與燃油流量成線性對(duì)應(yīng)關(guān)系,即會(huì)出現(xiàn)較大的燃油流量。
3建模仿真及驗(yàn)證
3.1建模仿真
  為進(jìn)一步分析故障原因,根據(jù)渦輪流量傳感器的信號(hào)轉(zhuǎn)換過程建立邏輯模型,在不同頻率段加入頻率為50Hz的外界干擾,查看脈沖頻率變化情況。
將表1中數(shù)據(jù)擬合為線性函數(shù),得到如下燃油渦輪流量傳感器產(chǎn)生脈沖的頻率和燃油流量的關(guān)系:

燃油流量產(chǎn)生的微小交流信號(hào)為:
假定外界電磁干擾作用于渦輪流量傳感器產(chǎn)生的干擾為:
渦輪傳感器線圈輸出信號(hào)為:
限幅后的信號(hào)為:
轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào):Max為脈沖幅值。
  基于simulink建立燃油渦輪流量傳感器的邏輯模型,如圖5所示。由于S-function可以用連續(xù)或離散狀態(tài)方程描述動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模塊,因此,渦輪流量傳感器線圈磁-電轉(zhuǎn)換、波形限幅、交流轉(zhuǎn)脈沖等模塊基于M-file模板編寫S-function來實(shí)現(xiàn)[7-8]。
渦輪流量傳感器邏輯模型
  分別設(shè)定理論燃油流量為表1中標(biāo)定的下限100L/h和上限600L/h,渦輪流量傳感器信號(hào)輸出及脈沖輸出如圖6所示。
渦輪流量計(jì)仿真運(yùn)行結(jié)果
  仿真結(jié)果表明,在低流量時(shí),渦輪流量傳感器原始微小交流信號(hào)過零比較處,脈沖頻率較高,且幅值不穩(wěn)定。而在高流量時(shí),脈沖信號(hào)頻率與真實(shí)信號(hào)頻率相近,幅值穩(wěn)定。
仿真結(jié)果與故障現(xiàn)象一致,初步推斷渦輪流量傳感器故障原因?yàn)橥饨绱艌龈蓴_。
3.2 
  驗(yàn)證試驗(yàn)為確定故障原因,在燃油測試臺(tái)中進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),設(shè)定供給至渦輪流量傳感器的燃油真實(shí)流量為90L/h,通過繼電器控制外置線圈通/斷電,頻率為50 Hz,模擬外界電磁干擾,分別用兩臺(tái)示波器檢測到渦輪流量傳感器線圈輸出信號(hào)和脈沖輸出信號(hào),如圖7所示。
  試驗(yàn)結(jié)果表明,在未加入外界干擾時(shí),原始微小交流信號(hào)及脈沖信號(hào)電氣特性良好,脈沖最高幅值穩(wěn)定,光耦可以正常通/斷,單片機(jī)計(jì)算得出脈沖信號(hào)頻率值。而加入外界干擾后,原始信號(hào)出現(xiàn)明顯畸變,幅值在22mV左右,轉(zhuǎn)換脈沖信號(hào)最高幅值不穩(wěn)定 (1.7V~1.0V),且最低幅值亦有突變,導(dǎo)致光耦出現(xiàn)異常通/斷,最終導(dǎo)致單片機(jī)計(jì)算出的頻率較真實(shí)圖7線圈輸出波形及脈沖轉(zhuǎn)換波形頻率較高,在500L/h~1 500L/h之間跳動(dòng)。
渦輪流量計(jì)線圈輸出波形及脈沖轉(zhuǎn)換波形
  經(jīng)進(jìn)一步分析,由于葉輪的機(jī)械特性,在高流量段工作時(shí),葉輪轉(zhuǎn)速和燃油流量成線性的正比關(guān)系,在低流量段工作時(shí),葉輪轉(zhuǎn)速和燃油流量成非線性的關(guān)系,流量越小,轉(zhuǎn)速下降得越快。供油管路的燃油流量在低流量段時(shí),傳感器葉輪的轉(zhuǎn)速會(huì)降得很低,線圈的感應(yīng)電勢E會(huì)跟著變小,即信號(hào)的電壓呈非線性的加速下降,這說明傳感器已經(jīng)工作在非線性流量段,由于葉輪轉(zhuǎn)速太低,感應(yīng)的信號(hào)很弱小,在存在電源噪聲和干擾的情況下,信號(hào)處理單元無法區(qū)分真實(shí)信號(hào)和干擾信號(hào),導(dǎo)致燃油測量不準(zhǔn)確。
4 結(jié)束語
  針對(duì)燃油渦輪流量傳感器在低流量段出現(xiàn)流量不準(zhǔn)確的故障,分析了其工作原理及信號(hào)轉(zhuǎn)換過程,建立了其邏輯模型,最后,進(jìn)行了故障仿真及驗(yàn)證試驗(yàn)。最終確定了故障原因?yàn)橥饨绱艌龈蓴_,排除故障可考慮以下兩種措施:
1)在渦輪流量傳感器中設(shè)計(jì)電磁屏蔽結(jié)構(gòu),阻止外界電磁干擾耦合進(jìn)線圈;
2)信號(hào)處理單元中的采用滯回比較器電路,可以過濾外界干擾造成的電壓波動(dòng)。


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