燃油渦輪流量傳感器故障仿真與研究 發(fā)布時(shí)間：2016-12-05
０引言 流量是現(xiàn)代工業(yè)測(cè)量過(guò)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(cè)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(guó)的發(fā)動(dòng)機(jī)試車臺(tái)多使用渦輪流量傳感器測(cè)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?jī)x表，當(dāng)被測(cè)流體流過(guò)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(cè)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(shì)，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(wú)人機(jī)燃油消耗量屬重要參數(shù)，測(cè)量意義重大，有利于精確飛行方案，有效提高載油利用率［５］。在進(jìn)行無(wú)人機(jī)燃油流量檢查過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)在低速狀態(tài)下開(kāi)車，燃油流量測(cè)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(cè)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(kāi)始運(yùn)動(dòng)［１］，渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖１所示。 在葉輪上的磁鐵產(chǎn)生磁場(chǎng)，固定在傳感器內(nèi)部的線圈組件處于磁場(chǎng)中，如圖２所示，當(dāng)燃油通過(guò)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。 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(shì)： 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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)程如圖３所示。 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(cè)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(guò)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(kāi)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(guò)傳感器實(shí)際測(cè)量范圍，此時(shí)理論值： 應(yīng)為８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／ｈ。通過(guò)分析飛參記錄設(shè)備中的數(shù)據(jù)，得到圖４中曲線。 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(guò)分析燃油渦輪流量傳感器工作原理及現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，出現(xiàn)上述故障原因可能為外界磁場(chǎng)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)［７－８］。 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。 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(guò)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?chǎng)干擾。 ３.２ 驗(yàn)證試驗(yàn)為確定故障原因，在燃油測(cè)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(guò)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(cè)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)。 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(shì)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(shuō)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(wú)法區(qū)分真實(shí)信號(hào)和干擾信號(hào)，導(dǎo)致燃油測(cè)量不準(zhǔn)確。 ４ 結(jié)束語(yǔ) 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(guò)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?chǎng)干擾，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(guò)濾外界干擾造成的電壓波動(dòng)。
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Ｍａｘ為脈沖幅值。
