燃油渦輪流量傳感器故障仿真及試驗研究

何 泳，劉慶杰，鄭泰英，任 杰，李靜洪

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，成都 610092）

燃油渦輪流量傳感器故障仿真及試驗研究

何 泳，劉慶杰，鄭泰英，任 杰，李靜洪

（成都飛機工業(yè)（集團）有限責(zé)任公司技術(shù)中心，成都 610092）

在進行無人機燃油流量檢查過程中，發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速下試車，燃油流量測量結(jié)果與理論值相差甚遠；為定位并分析故障產(chǎn)生原因，基于simulink建立了燃油渦輪流量傳感器數(shù)學(xué)邏輯模型進行故障仿真；仿真結(jié)果表明，外界磁場通過燃油渦輪流量傳感器內(nèi)部線圈耦合產(chǎn)生干擾信號，進而轉(zhuǎn)換為干擾脈沖，使得脈沖頻率增大；在燃油測試臺上利用線圈瞬間通／斷電模擬外界磁場干擾進行驗證試驗，進一步驗證了仿真結(jié)果的正確性；對磁－電式渦輪流量傳感器排故工作具有指導(dǎo)意義。

電磁干擾；燃油渦輪流量傳感器；故障仿真；燃油測量

0 引言

流量是現(xiàn)代工業(yè)測量過程中的一個重要參數(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)性與動態(tài)特性好［1］。因此，各國的發(fā)動機試車臺多使用渦輪流量傳感器測量發(fā)動機燃油流量［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，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［3］，流量傳感器輸出的脈沖信號頻率代表流量大小，流量與信號頻率在一定區(qū)間內(nèi)近似成線性關(guān)系［4］。無人機燃油消耗量屬重要參數(shù)，測量意義重大，有利于精確飛行方案，有效提高載油利用率［5］。

在進行無人機燃油流量檢查過程中，發(fā)動機在低速狀態(tài)下開車，燃油流量測量不準確。本文主要對此故障進行仿真分析及試驗驗證。

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，流體的沖擊作用產(chǎn)生推動力矩，克服流量傳感器支撐軸承與轉(zhuǎn)子之間的機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)子開始運動［1］，渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 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)動葉輪旋轉(zhuǎn)，帶動葉輪上的磁鐵旋轉(zhuǎn)，此時線圈組件感應(yīng)的磁通量也周期發(fā)生變化。

圖2 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為變化時間。

因此，燃油流過渦輪流量傳感器時，線圈會產(chǎn)生周期變化電壓，即葉輪轉(zhuǎn)動一圈，就會感應(yīng)出一個正弦信號，葉輪連續(xù)轉(zhuǎn)動，就會周期的產(chǎn)生正弦信號。經(jīng)過信號處理轉(zhuǎn)換為脈沖信號，渦輪流量傳感器穩(wěn)定運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為脈沖信號頻率（Hz），k為儀表系數(shù)（1／L）。

信號處理單元主要實現(xiàn)交流信號處理及數(shù)據(jù)通信，首先將交流信號轉(zhuǎn)為脈沖信號，其次單片機控制器通過光耦電氣隔離采集并計算脈沖頻率，依據(jù)標(biāo)定的流量和頻率關(guān)系計算相應(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)至機載計算機。

1.2 信號轉(zhuǎn)換及處理

渦輪流量傳感器中的葉輪旋轉(zhuǎn)時，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，經(jīng)過第一級運算放大器將微小交流信號進行放大并限幅，消除幅值為負的信號。再經(jīng)過第二級比較器，比較電壓為零，輸入電壓大于零時，輸出高電平，否則輸出低電平，即將交流信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號。脈沖經(jīng)過光耦進行電氣隔離，電信號單向傳輸，由單片機采集光耦信號輸出的通斷頻率，即為原始信號頻率值，再通過預(yù)先標(biāo)定的頻率與流量關(guān)系，計算可得原始信號對應(yīng)的燃油流量，信號轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

圖3 信號變換過程

在渦輪流量傳感器標(biāo)定試驗臺中進行傳感器標(biāo)定，針對主流量點（100 L／h、150 L／h、300 L／h、600 L／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)動機在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下開車，在地面控制站人機交互界面查看到燃油流量在500 L／h～1500 L／h跳動，已經(jīng)超過傳感器實際測量范圍，此時理論值應(yīng)為80 L／h～100 L／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。

表1 渦輪流量傳感器頻率－流量關(guān)系

圖4 飛參記錄設(shè)備中燃油流量曲線

由曲線可以看出，在發(fā)動機未起動時，燃油流量為0 L／h，故障未出現(xiàn)；在發(fā)動機起動至最低轉(zhuǎn)速時，燃油流量出現(xiàn)異常，在500 L／h～1 500 L／h隨機跳動；在轉(zhuǎn)速達到最大轉(zhuǎn)速時，燃油流量為260 L／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渦輪流量傳感器線圈，使得原始微小交流信號混入干擾信號，且此時信噪比較低，干擾信號起主導(dǎo)作用，信號處理單元將混入干擾的信號處理后計算得到的頻率較高，由脈沖頻率與燃油流量成線性對應(yīng)關(guān)系，即會出現(xiàn)較大的燃油流量。

3 建模仿真及驗證

3.1 建模仿真

為進一步分析故障原因，根據(jù)渦輪流量傳感器的信號轉(zhuǎn)換過程建立邏輯模型，在不同頻率段加入頻率為50 Hz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為：

限幅后的信號為：

轉(zhuǎn)換為脈沖信號：

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來實現(xiàn)［7 8］。

圖5 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100 L／h和上限600 L／h，渦輪流量傳感器信號輸出及脈沖輸出如圖6所示。

圖6 仿真運行結(jié)果

仿真結(jié)果表明，在低流量時，渦輪流量傳感器原始微小交流信號過零比較處，脈沖頻率較高，且幅值不穩(wěn)定。而在高流量時，脈沖信號頻率與真實信號頻率相近，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為外界磁場干擾。

3.2 驗證試驗

為確定故障原因，在燃油測試臺中進行驗證試驗，設(shè)定供給至渦輪流量傳感器的燃油真實流量為90 L／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，分別用兩臺示波器檢測到渦輪流量傳感器線圈輸出信號和脈沖輸出信號，如圖7所示。

試驗結(jié)果表明，在未加入外界干擾時，原始微小交流信號及脈沖信號電氣特性良好，脈沖最高幅值穩(wěn)定，光耦可以正常通／斷，單片機計算得出脈沖信號頻率值。而加入外界干擾后，原始信號出現(xiàn)明顯畸變，幅值在22 m V左右，轉(zhuǎn)換脈沖信號最高幅值不穩(wěn)定（1.7 V～1.0 V），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)致單片機計算出的頻率較真實頻率較高，在500 L／h～1 500 L／h之間跳動。

圖7 線圈輸出波形及脈沖轉(zhuǎn)換波形

經(jīng)進一步分析，由于葉輪的機械特性，在高流量段工作時，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，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，傳感器葉輪的轉(zhuǎn)速會降得很低，線圈的感應(yīng)電勢E會跟著變小，即信號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)的信號很弱小，在存在電源噪聲和干擾的情況下，信號處理單元無法區(qū)分真實信號和干擾信號，導(dǎo)致燃油測量不準確。

4 結(jié)束語

針對燃油渦輪流量傳感器在低流量段出現(xiàn)流量不準確的故障，分析了其工作原理及信號轉(zhuǎn)換過程，建立了其邏輯模型，最后，進行了故障仿真及驗證試驗。最終確定了故障原因為外界磁場干擾，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)計電磁屏蔽結(jié)構(gòu)，阻止外界電磁干擾耦合進線圈；

2）信號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。

［1］陳士龍.基于計量缸的渦輪流量計校準裝置研制及實驗研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2014.

［2］張志宏.發(fā)動機試驗渦輪流量計測量不確定度評定方法［J］.測控技術(shù)，2012，31（Z）：359-362.

［3］王 振.渦輪流量傳感器在不同流體條件下測量性能的研究［D］.天津：天津大學(xué)，2008.

［4］王 松，張?zhí)旌?，王建鋒等.基于渦輪流量計的動態(tài)流量測量方法研究［J］.測控技術(shù)，2012，31（11）：24-27.

［5］張學(xué)平，王小兵，劉曉凌.基于芮氏算法對UAV燃油流量的測量研究［J］.計算機測量與控制，2010，18（12）：2741-2744.

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［7］薛定宇，陳良泉.基于MATLAB／Simulink的系統(tǒng)仿真技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

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Research on Fault Simulation and Experiment of Oil Turbine Flowmeter

He Yong，Liu Qingjie，Zheng Taiying，Ren Jie，Li Jinghong

（AVIC Chengdu Aircraft Industrial（Group）Co.，Ltd，Chengdu 610092，China）

The difference between the measured value and the theoretical value was great，when testing the fuel flow of UAV under engine running slowly condition.For locating and analyzing the fault cause，the logic model of oil turbine flowmeter was established and simulated based on simulink.The result of simulation showed that the fault was caused by external electromagnetic interference.First，external electromagnetic interference was coupled with the coil of turbine flowmeter to cause interferences.Then，the interferences were transferred to unwanted plus.Last，the frequency was larger than real value.Demonstration experiment was done on fuel testing equipment using external coil on－off electricity to imitate external electromagnetic interference，and the result had corroborated with the result of simulation.It has guiding value to fault elimination on magnetoelectric turbine flowmeter.

electromagnetic interference；turbine flowmeter；fault simulation；fuel measurement

1671-4598（2016）08-0307-03

10.16526／j.cnki.11－4762／tp.2016.08.084

：V234.1；TH814

：A

2016-03-02；

：2016-03-29。

何 泳（1968-），男，云南建水人，大學(xué)，研究員級高級工程師，主要從事機載機電系統(tǒng)方向的研究。