齊 紅,汪 偉,付百學(xué)
(1.黑龍江省網(wǎng)絡(luò)空間研究中心,黑龍江 哈爾濱 150050;2.黑龍江工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150050)
國(guó)內(nèi)外汽車(chē)保有量不斷增長(zhǎng),為促進(jìn)汽車(chē)節(jié)能減排,控制汽車(chē)油耗至關(guān)重要。目前汽車(chē)油耗直接測(cè)試和間接測(cè)試方法尚存在諸多問(wèn)題。為此,基于超聲波技術(shù)研發(fā)智能型汽車(chē)油耗測(cè)試儀器,更好地滿足交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)汽車(chē)油耗測(cè)試的要求,推動(dòng)新技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車(chē)。
超聲波為機(jī)械振動(dòng)在彈性介質(zhì)中傳播,頻率高于20 kHz,能量高,方向性好,有較強(qiáng)的穿透能力;遇有界面時(shí),將產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換。超聲波流量測(cè)量采用非接觸方式,無(wú)壓力損失,通用性好,測(cè)試范圍寬。
油耗測(cè)試系統(tǒng)采用單片機(jī)控制GP2(數(shù)字時(shí)間轉(zhuǎn)換模塊)發(fā)出“開(kāi)始”信號(hào),送至超聲波信號(hào)發(fā)射電路,CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件)提取有效的“停止”信號(hào)送至GP2,比較“開(kāi)始”信號(hào)和“停止”信號(hào),即可計(jì)算出超聲波信號(hào)的傳輸時(shí)間。CAN/RS485用于拓展測(cè)試儀器功能。
基于超聲波技術(shù)測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路的燃油流量,即可計(jì)算出汽車(chē)油耗。發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路中燃油流量的測(cè)量方法有時(shí)差法、多普勒法、頻差法、相差法和波束偏移法等。
燃油流量(Q)計(jì)算
(1)
(2)
(3)
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式中:d為管路內(nèi)徑;i為聲路序號(hào);j為聲路總數(shù);Li為聲路長(zhǎng)度;si為求積計(jì)算中的節(jié)點(diǎn);βi為聲路角;fj為數(shù)值積分的加權(quán)系數(shù);fq為流量修正系數(shù);fz為權(quán)重系數(shù);αi為超聲波入射角;Re為雷諾數(shù);V0為溫度為0 ℃時(shí)的聲速;ft為聲速溫度系數(shù);Th為環(huán)境溫度;Vm超聲波信號(hào)在管壁中的傳播速度;ρ是管路內(nèi)燃油雷諾數(shù)Re和管路壁面粗糙度Ra的函數(shù)。
超聲波時(shí)差法燃油流量測(cè)試采用信號(hào)自動(dòng)跟蹤和溫度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)认冗M(jìn)技術(shù),性能穩(wěn)定、電路簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍寬、測(cè)試精度高、安裝使用方便。高精度聲時(shí)測(cè)量是測(cè)試的關(guān)鍵,采用高速時(shí)間計(jì)數(shù)處理芯片可使測(cè)試精度達(dá)到皮秒級(jí),大大地推動(dòng)了超聲波時(shí)差法流量測(cè)試儀器的發(fā)展與應(yīng)用。
超聲波多普勒法燃油流量測(cè)試原理見(jiàn)圖2,發(fā)射換能器發(fā)射固定頻率(f1)的超聲波信號(hào),被燃油內(nèi)的固體顆粒產(chǎn)生多普勒效應(yīng),接收換能器收到信號(hào)(f2),多普勒信號(hào)與源信號(hào)的頻率存在固定頻差,利用頻移峰值逼近法,求解多普勒頻移值,即燃油流速。
圖2 超聲波多普勒法燃油流量測(cè)試原理
當(dāng)燃油中的顆粒以速度V流向聲波發(fā)送器時(shí),顆粒為聲波接收器,超聲波聲速為Vc,其收到的聲波頻率(f0)為
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當(dāng)燃油中的顆粒將收到的聲波傳給接收換能器時(shí),接收換能器收到的聲波信號(hào)頻率(f2)為
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超聲波發(fā)送器與接收器之間的多譜勒頻移(Δf)為
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由于Vc?Vcosβ,則
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燃油流速計(jì)算
(9)
燃油流量計(jì)算
(10)
超聲波多普勒法測(cè)試燃油流量,具有體積小,可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量,測(cè)量結(jié)果不受溫度、壓力、振動(dòng)影響等優(yōu)點(diǎn)。但燃油中的懸浮顆粒物通常性能不太穩(wěn)定,且其速度與燃油流速有偏差,會(huì)影響到測(cè)試精度,測(cè)量穩(wěn)定性較差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,尤其是在低流速管道流量測(cè)量時(shí),測(cè)量結(jié)果偏差較大。
相差法通過(guò)測(cè)量超聲波在供油管路中順流和逆流傳播時(shí),接收到的信號(hào)相位差計(jì)算燃油流速,結(jié)合供油管路截面積得到燃油流量。
超聲波發(fā)射信號(hào)
x(t)=Asin(ωt+θ)
(11)
式中:A為超聲波幅值,mm;θ為超聲波初始相位角,°。
設(shè)t=0時(shí),θ=0。順流方向,收到超聲波信號(hào)的相位角為θ1=ωt1;逆流方向,收到超聲波信號(hào)的相位角為θ2=ωt2,則順流、逆流收波信號(hào)的相位差為
Δθ=θ1-θ2=2πfΔt
(12)
基于相關(guān)法原理,兩個(gè)同頻正弦信號(hào)互相關(guān)函數(shù)零時(shí)刻值,與其相位差余弦值成正比,求解相位差。設(shè)x(t)和y(t)為同頻且疊加噪聲的信號(hào)
x(t)=Asin(ωt+θ1)+nx(t)
(13)
y(t)=Asin(ωt+θ2)+ny(t)
(14)
式中:nx(t)為噪聲輸入信號(hào);ny(t)為噪聲輸出信號(hào)。
信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)為
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當(dāng)τ=0時(shí),
(16)
噪聲與信號(hào)、兩噪聲之間都不相關(guān),基于三角函數(shù)的正交性可得
(17)
(18)
計(jì)算A、B和τ=0時(shí)互相關(guān)函數(shù)Rxy(0),可求出Δφ;基于自相關(guān)法求解A和B。
對(duì)于x(t)信號(hào),自相關(guān)函數(shù)為
(19)
當(dāng)τ=0時(shí),
(20)
(21)
對(duì)于y(t)信號(hào),自相關(guān)函數(shù)為
(22)
當(dāng)τ=0時(shí),
(23)
(24)
燃油流速(V)計(jì)算
(25)
燃油流量(Q)計(jì)算
(26)
超聲波相差法燃油流量測(cè)試,通過(guò)計(jì)算燃油在供油管路中流動(dòng)時(shí)的渡越時(shí)間,測(cè)試燃油流速和流量,測(cè)試精度高,但線路復(fù)雜、成本高。
頻差法測(cè)量超聲波順流、逆流時(shí)傳播信號(hào)的重復(fù)頻率差,超聲波接收器接收信號(hào)脈沖后,又立刻發(fā)射脈沖信號(hào),以一定頻率反復(fù)進(jìn)行。超聲波順流發(fā)射頻率為f1,逆流發(fā)射頻率為f2。
無(wú)折射變換器
(27)
有折射變換器
(28)
燃油流速計(jì)算
(29)
燃油流量計(jì)算
(30)
超聲波頻差法燃油流量測(cè)試,需要測(cè)量順流、逆流超聲波信號(hào)的重復(fù)頻率差,測(cè)量誤差較小,但需多次計(jì)數(shù),測(cè)試速度慢,且不能實(shí)時(shí)測(cè)量。
超聲波在供油管路中傳播時(shí),隨著燃油流動(dòng)而發(fā)生偏移(l為波束偏移量),其大小與燃油流速成數(shù)學(xué)關(guān)系,見(jiàn)圖3。
圖3 超聲波波束偏移法燃油流量測(cè)試原理
燃油不流動(dòng)時(shí),換能器A和B接收到信號(hào)的強(qiáng)度相等,差值為零;燃油以速度V流動(dòng)時(shí),超聲波傳播方向?yàn)槭噶縑和Vc的合成方向,與原波束方向的偏角(β)為
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波束偏移后,換能器A和B接收到信號(hào)的強(qiáng)度不等,l愈大,差值越大??刹捎谜凵渥儞Q器將波束在供油管道內(nèi)產(chǎn)生n次反射,位移擴(kuò)大n倍,即L=nl。
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接收信號(hào)的強(qiáng)度(I0)與波束寬度(B)成正比,接收信號(hào)的強(qiáng)度差(ΔI)與I0的比值與L/B成正比,k為系數(shù),則
(33)
燃油流速計(jì)算
(34)
燃油流量計(jì)算
(35)
超聲波波束偏移法燃油流量測(cè)試,低流速時(shí)靈敏度和測(cè)試精度都較低。進(jìn)行多次反射,可增大位移量,但要求供油管道內(nèi)徑較大、管道內(nèi)壁光滑,且燃油超聲衰減系數(shù)要小,因此使用范圍受到一定限制。
采用超聲波技術(shù)進(jìn)行汽車(chē)油耗測(cè)試,能解決傳統(tǒng)汽車(chē)油耗測(cè)試存在的諸多問(wèn)題?;诔暡夹g(shù)的汽車(chē)油耗測(cè)試方法又分為時(shí)差法、多普勒法等多種形式,其測(cè)試原理不同,測(cè)試精度、超聲波流量傳感器結(jié)構(gòu)、成本和使用條件有所不同,合理選擇測(cè)試方法,對(duì)研發(fā)滿足市場(chǎng)需求的智能型汽車(chē)油耗測(cè)試儀器具有重要意義。