工程機(jī)械油耗自動化監(jiān)測裝置設(shè)計

楊洋 柯露露 林鳳濤 李志和 史振帥

摘要：工程機(jī)械車輛油耗測量的整體設(shè)計方案中，簡述裝置的兩個方面：設(shè)計思路及數(shù)據(jù)采集原理。其中研究設(shè)計雙軸傾角傳感器用于車輛燃油液位數(shù)據(jù)采集，介紹了數(shù)據(jù)采集儀，并闡述用于采集儀的主要器件的功能和特點(diǎn)，內(nèi)置GPRS通信模塊以及CLM920系列模塊，為設(shè)計采集儀硬件電路提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：油耗測量;雙軸傾角傳感器;數(shù)據(jù)采集儀;GPRS通信模塊

前言

媒體報導(dǎo)，墨西哥偷油問題致使當(dāng)?shù)刎斦磕曛辽贀p失30 億美元。墨西哥政府為了防止偷盜汽油行為，采取了一系列措施，首先檢查加油站汽油輸入輸出情況，然后向輸油設(shè)施派遣數(shù)千名軍人，追蹤煉油廠員工電話使用情況、確認(rèn)輸油車行駛路線等等。在國內(nèi)，將油從油田運(yùn)往加油站的過程中使用運(yùn)油車，運(yùn)油車司機(jī)會改裝車輛油箱結(jié)構(gòu)進(jìn)行偷油。這些偷油賊瞄準(zhǔn)油價的利潤進(jìn)行倒賣。油價關(guān)系國計民生，同時也涉及到社會安定，防止偷油漏油的問題亟待解決，必須設(shè)計出更加科學(xué)可靠的油耗自動化監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)設(shè)計研發(fā)還可以解決工程機(jī)械接私活的問題，一些機(jī)械工程師在業(yè)余時間利用職業(yè)便利將價格昂貴的機(jī)器出租賺外快，對機(jī)械本身來說是一種折損，減少機(jī)械使用壽命，這些問題都很嚴(yán)峻，對工程機(jī)械的監(jiān)管需要對自動化檢測系統(tǒng)的模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，使其能更加靈敏精確地判斷機(jī)械以及機(jī)械油耗的狀態(tài)。

油耗監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

油耗監(jiān)控系統(tǒng)主要的兩個部分為：終端油耗監(jiān)控裝置、平臺管理系統(tǒng)。終端油耗監(jiān)控設(shè)備的構(gòu)成：雙軸傾角傳感器、數(shù)據(jù)采集儀。

雙軸傾角采集儀：本產(chǎn)品是浩坤科技自主研發(fā)生產(chǎn)的一款模擬電壓輸出的低成本雙軸傾角采集儀，用戶只需采集傳感器的電壓值就可計算出當(dāng)前物體的傾斜度。通過把靜態(tài)重力場的變化轉(zhuǎn)換為傾角變化，通過電壓方式輸出，體積小、重量輕，可以滿足對空間有限制的應(yīng)用需求。主要用來測量物體與水平面的傾斜。具有成本低、溫漂小、使用簡單、抗外界干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，是光伏發(fā)電、云臺控制、塔桿監(jiān)測等行業(yè)測量的理想選擇。產(chǎn)品特點(diǎn)采用高性能工業(yè)級芯片;低功耗設(shè)計，最大限度降低功耗。采用金屬外殼，保護(hù)登記IP67.金屬外殼和系統(tǒng)安全隔離，特別適合于工控現(xiàn)場的應(yīng)用。采用寬電源輸入。穩(wěn)定可靠，電源接口內(nèi)置反相保護(hù)和過壓保護(hù)。標(biāo)準(zhǔn)易用，采用工業(yè)端子接口，特別適合于工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用。

平臺管理系統(tǒng)主要包括CLM920系列模塊，該模塊是一個PCI Express Mini Card 1.2 標(biāo)準(zhǔn)的模塊，基帶芯片采用高通的MDM9X15，支持OS：windows/windows8/Android4.0以上等嵌入式操作系統(tǒng)。監(jiān)控裝置的工作原理：通過對雙軸傾角傳感器的相對百分比信號角度數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，結(jié)合標(biāo)定算法，通過角度比例換算成對應(yīng)的體積信息，能夠?qū)τ拖涞挠土孔兓M(jìn)行監(jiān)控;再配合GPRS 通信模塊，將數(shù)據(jù)打包發(fā)送到指定SIM卡上。同時給服務(wù)器安裝上定制的油耗監(jiān)控軟件系統(tǒng)，該軟件具有將這些數(shù)據(jù)分析歸類的功能，用戶可以清晰掌握車輛的油耗狀態(tài)。

系統(tǒng)的各模塊選擇

從車輛油耗測量系統(tǒng)需要的總體方案要求及設(shè)計思路出發(fā)，選擇的螺紋PT100熱電阻以及SLDTB小巧壓力變送器、GPRS通信模塊，結(jié)合使用能夠進(jìn)行信號實(shí)時精確處理、轉(zhuǎn)換的功能，PT100螺紋功能具有耐酸性，油箱中的油的酸性環(huán)境需要耐酸性的螺絲才能到達(dá)數(shù)據(jù)安全可靠的目的;另外選用GPRS通信模塊也很重要，能夠保證通信質(zhì)量，并獲得準(zhǔn)確的油耗數(shù)據(jù)。

螺紋PT100熱電阻的選擇 本產(chǎn)品中的螺紋PT100熱電阻/鉑電阻簡易實(shí)用，是工程機(jī)械中一種鉑電阻/熱電阻的封裝形式，需要了解下面各種參數(shù)：精度、工作環(huán)境、線制、高溫線、線長、直徑、插深、螺紋尺寸等，主要作用于機(jī)械設(shè)備、管道內(nèi)介質(zhì)的測量等等需要螺紋安裝的地方。PT100的三種精度選擇可作參考（A級±0.15℃ B級±0.30℃ C級±0.60℃）。

SLDTB小巧壓力變送器 變送器的靈敏度高、精度高、抗過載能力強(qiáng)。遇到電路零點(diǎn)和增益無需調(diào)整，SLDTB壓力變送器的特點(diǎn)是選用進(jìn)口壓力芯片，敏感元件的原理采用擴(kuò)賽或離子注入等加工形成電阻然后連接成惠斯通電橋，經(jīng)過二次轉(zhuǎn)換電路，實(shí)現(xiàn)兩線制4–20MA輸出。功能特點(diǎn)是穩(wěn)定性好，滿度、零位長期穩(wěn)定性可達(dá)0.2%FS/年。在補(bǔ)償溫度0–70℃范圍內(nèi)，溫度漂移低于0.2%FS，在整個允許工作范圍內(nèi)低于0.5%FS。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)外殼采用全體不銹鋼一體。壓力接口為M20*1.5。

內(nèi)置GPRS 通信模塊選擇 內(nèi)置GPRS通信模塊，可通過移動和聯(lián)通的GSM網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，采集到的數(shù)據(jù)以modbus rtu 格式進(jìn)行傳送，數(shù)據(jù)使用·03功能碼主動上報，八通到數(shù)據(jù)一起傳送數(shù)據(jù)主動上報，上報周期可以通過浩坤科技數(shù)采儀配置程序配置。GPRS通信鏈路在首次建立鏈接時會發(fā)送字符串（PID），字符串內(nèi)容可以通過浩坤科技數(shù)采儀配置程序配置。不同的設(shè)備設(shè)置不同的字符串（PID），以此區(qū)分不同的設(shè)備。

CLM920LTE 系列模塊

從以下幾個方面介紹CLM920 系列產(chǎn)品的使用和設(shè)計，包括外部接口、電氣、機(jī)械接口等，其中會出現(xiàn)以下縮略語，BB是連接器的縮略語，RF是傅里葉變換。

如圖.1 所示為CLM920系列模塊功能框圖。CLM920系列模塊電源接口包含兩部分：3.3V為模塊工作電源，VREG_USIM卡工作供電電源。CLM920系列4G模塊采用單電源供電模式，供電范圍為3.3V–4.2V，模塊在傳輸數(shù)據(jù)或通話瞬時會產(chǎn)生峰值2A的電流，導(dǎo)致電源上會有一個大的波紋。該系列模塊的接口支持USB2.0 高速協(xié)議，USB總線供電電壓由模塊內(nèi)部提供，不需外部提供，支持軟件下載升級，數(shù)據(jù)通訊等功能。該系列模塊提供一個兼容ISO7816–3標(biāo)準(zhǔn)的USIM卡接口，但是不自帶USIM 卡槽有點(diǎn)不便之處。

總技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的模塊視頻特性描述包括工作頻率、傳導(dǎo)射頻測量、傳導(dǎo)接受靈敏度和發(fā)射功率，其中LTE1，UL參數(shù)1920MHZ–1980MHZ，LET3，1710MHZ–1785MHZ，另外，GSM850，UL參數(shù)為824MHZ–849MHZ，參考以上工作頻率選擇合適的參數(shù)匹配進(jìn)行測試。其中UL為上行的縮寫。

如圖2 CLM920系列模塊的實(shí)物外形圖所示，其中長51mm，寬30.1mm，整體結(jié)構(gòu)小巧精致。便于安裝使用。

車輛油箱油量監(jiān)管的應(yīng)用其中

如果需要將車輛出租需要著重對車輛的油箱油量進(jìn)行監(jiān)管，租賃公司控制油箱達(dá)到監(jiān)管的目的。通過對油箱的監(jiān)管還可以達(dá)到以下的作用：首先是監(jiān)測車輛速度、排氣管溫度等信息;其次是當(dāng)車輛位置信息或者運(yùn)行參數(shù)發(fā)生突變時將車輛位置、參數(shù)變化情況通過數(shù)據(jù)傳送模塊，向監(jiān)控中心發(fā)送信息及警示信息。接下來是油面數(shù)據(jù)發(fā)生變化超過設(shè)定預(yù)警線時，及時發(fā)送報警信息;最后還能針對工程生產(chǎn)中出現(xiàn)的各類工況，進(jìn)行模擬及數(shù)據(jù)收集分析，形成數(shù)據(jù)云模式。

結(jié)論

本文簡述的油耗測量裝置涉及到以下關(guān)鍵模塊：燃油液位變化數(shù)據(jù)測量換算與GPRS通信模塊，根據(jù)本文的闡述，燃油液位變化量的測取可以由雙軸傾角傳感器完成;在車輛行駛中，采集的油耗數(shù)據(jù)通常采用遠(yuǎn)程監(jiān)測，本文采用 GPRS 通信模塊實(shí)現(xiàn)油耗信息的遠(yuǎn)程無線傳輸。在國內(nèi)，GPRS油耗監(jiān)測裝置多運(yùn)用于船舶方面[1，2]，該類方向系統(tǒng)研究豐富，擁有很多優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定性不錯、適用范圍廣，將其運(yùn)用于車輛油耗數(shù)據(jù)采集同樣能得到良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，并且油耗采集精度高、功能擴(kuò)展性強(qiáng)、安裝簡便等，因此，使用車用 GPRS通信模塊的設(shè)計用于工程機(jī)械油耗的應(yīng)用，能實(shí)現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)測[3–4]。

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