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黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
摘 要
近年來，汽車工業(yè)有了突飛猛進的發(fā)展，由于全球高新技術的日新月異以及人們對環(huán)境保護與節(jié)約能源的更加關注，各種油耗檢測儀器就應運而生，但是其中大部分為解體式油耗檢測技術下的燃油消耗檢測儀器，主要為容積法和質(zhì)量法。由于此種檢測設備的結構復雜，特別是在我國頒布的第一個關于乘用車燃料消耗量限制值的標準，使得汽車油耗檢測的需求更加迫切，不解體油耗分析系統(tǒng)的開發(fā)研究是交通部重大科技攻關項目，此項目包括從方案確定、硬件設計、信號處理到軟件編程等很多內(nèi)容，本論文的目的就是設計一套不解體燃油消耗檢測儀器--基于超聲波技術的汽車油耗檢測儀器。
基于超聲波技術下的燃油消耗檢測儀器是一種利用超聲波流量計技術測量燃油流量并通過計算電路得到燃油消耗情況的一種新型的燃油消耗檢測儀器。
超聲波流量計具有不擾亂流場、無可動部件、無壓力損失、測量精度高、性能穩(wěn)定可靠、測量范圍寬等特點，廣泛應用于液體和氣體的計量。
關鍵詞：超聲波換能器、流量、模塊、環(huán)鳴法、FPGA、串行通訊
ABSTRACT
In recent years, Automobile industry has been developing by leaps and bounds, due to the global high-tech is changing and people to the environmental protection and energy saving more attention, all kinds of fuel consumption testing instrument is made, but mostly disintegrated type of fuel detection technology fuel consumption testing instrument, mainly for volumetric method and quality standard. Because this test equipment of structure is complex, especially in the first China promulgated on passenger cars fuel consumption of standard, make cars limit consumption detection more urgent demand, not the disintegration of fuel consumption analysis system development research ministry of science research project is significant. The project including from plan, hardware design, signal processing to software programming and many other topics, the aim of this paper is to design a set of non-dismatiement testing instruments fuel consumption based on ultrasonic technology -- the fuel consumption testing instruments.
Based on the fuel consumption under ultrasonic technology testing instrument is a use of ultrasonic flowmeter measurement fuel flow and technology through calculation of fuel consumption circuit get a new type of fuel consumption testing instruments.
Ultrasonic flowmeter is not disturbed flow field, no moving parts, without pressure loss, high accuracy, stable and reliable performance, wide measuring range and other characteristics, widely used in liquid and gas measurement
Keywords： Ultrasonic Transducer, Flow, Module, Ring Sound Method, The FPGA, Serial expert
II
目 錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1燃油經(jīng)濟性的概念和意義 1
1.2汽車油耗檢測的發(fā)展概況 2
1.3國內(nèi)外汽車油耗儀檢測研究現(xiàn)狀 2
1.4課題研究背景及意義 3
1.5本設計主要研究內(nèi)容 6
第2章 超聲波式燃油消耗檢測儀的原理及方案的確定 8
2.1汽車油耗儀器的測量方法與分類 8
2.1.1直接測量法 8
2.1.2間接測量法 10
2.2超聲波流量計發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀 10
2.2.1超聲波測量技術發(fā)展概況 10
2.2.2超聲波流量計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11
2.3管道流量測量的理論基礎 13
2.3.1流量的基本概念 13
2.3.2管道內(nèi)流體理論 14
2.3.3流速補償系數(shù)對流速公式的修正 17
2.4超聲波流量測量的原理 18
2.4.1時差法 18
2.4.2多普勒法 20
2.4.3相關法 20
2.5超聲波測量方案的確定 21
2.6本章小結 22
第3章 超聲波油耗檢測儀器硬件電路的設計 23
3.1 系統(tǒng)硬件電路的總體設計 23
3.1.1 系統(tǒng)硬件的結構設計 23
3.1.2系統(tǒng)工作原理及流程 24
3.2系統(tǒng)硬件電路的模塊設計 25
3.2.1微控制器模塊 25
3.2.2看門狗電路的初設計 26
3.2.3超聲波發(fā)射模塊 27
3.2.4超聲波接收及后續(xù)處理模塊 28
3.2.4發(fā)射/接收切換電路 34
3.2.5實時時鐘、看門狗及數(shù)據(jù)存儲模塊 34
3.2.6液晶顯示模塊 36
3.2.7 鍵盤模塊 37
3.2.8微型打印機的選擇 40
3.2.9 通訊接口的選擇 41
3.2.10電源模塊 42
3.2.11超聲波換能器的選擇 43
3.3 本章小結 44
第4章 智能型汽車油耗儀機械部分設計 45
4.1 殼體材料的選擇 45
4.2 外型尺寸的確定 45
4.3 控制面板的設計 46
4.4 數(shù)據(jù)線接口的設計 47
4.5 油耗儀器內(nèi)部結構設計 48
4.6 超聲波換能器裝夾結構設計 49
4.7 本章小結 50
第5章 FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設計 51
5.1 FPGA的芯片選擇 51
5.2 FPGA內(nèi)部模塊設計 51
5.2.1高速計數(shù)器模塊 52
5.2.2時鐘信號模塊 54
5.2.3邏輯控制模塊 54
5.3 FPGA的接口電路設計 54
5.4 本章小結 55
第6章 軟件系統(tǒng)的設計 56
6.1系統(tǒng)軟件整體結構及功能 56
6.2主要功能模塊的設計 57
6.2.1系統(tǒng)主程序模塊 57
6.2.2中斷服務程序模塊 57
6.2.3計算模塊的程序設計 61
6.2.4數(shù)據(jù)存儲模塊 62
6.2.5顯示模塊 63
6.2.6按鍵的去抖功能的程序流程圖設計 64
6.3 本章小結 65
第7章 試驗研究及誤差分析 66
7.1 試驗的目的和意義 66
7.2零流量下的相關實驗 66
7.2.1換能器收發(fā)信號波形實驗 66
7.2.2過零檢測 67
7.2.3零速檢測 67
7.3實時流量實驗 68
7.3.1實驗方法 68
7.4誤差分析 71
7.4.1管道直徑的影響 72
7.4.2固有延遲的影響 72
7.4.3測量時差的影響 72
7.4.4參數(shù)的影響 72
7.4.5流量修正系數(shù)的影響 73
7.5溫度和壓力的修正 75
7.6本章小結 76
結論 77
參考文獻 78
致謝 81
黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設計
第1章 緒 論
1.1燃油經(jīng)濟性的概念和意義
在當前和今后相當長的一段時期，汽車燃料仍將以石油產(chǎn)品為主。例如:西歐工業(yè)發(fā)達國家交通運輸消耗石油產(chǎn)品的34%-45%；美國交通運輸部門消耗國內(nèi)石油產(chǎn)品的52%。2002年，我國原油產(chǎn)量為1.6億噸，進口石油則超過7200萬噸，耗費200多億美元。汽車燃油消耗量分別占我國汽油和柴油產(chǎn)量的87%和21%。據(jù)統(tǒng)計2010年我國石油進口高達1.6億噸。
此外，由于汽車運輸?shù)挠秃恼计囘\輸成本的20%以上。節(jié)約燃料就意味著汽車運輸成本的降低，經(jīng)濟效益的提高。顯而易見，研究汽車燃料經(jīng)濟性對汽車節(jié)能的意義重大。例如:同1970年相比，1993年美國汽車平均油耗下降了33%。為此世界各國都把降低汽車能耗作為一項基本國策，并成為汽車制造和交通運輸領域的重要課題。
在保證動力性的條件下，汽車以盡量小的燃油消耗量經(jīng)濟行駛的能力，稱為汽車的燃油經(jīng)濟性.
提高汽車的燃油經(jīng)濟性，從汽車的設計和生產(chǎn)上來講，改進發(fā)動機結構(如發(fā)動機的稀燃技術)是一個趨勢，從而改善燃油的燃燒狀況，提高發(fā)動機的熱效率，來減少汽車的尾氣對環(huán)境的污染。并且，汽車燃油經(jīng)濟性與汽車的底盤和發(fā)動機的結構和技術狀況密切聯(lián)系，所以汽車的燃油經(jīng)濟性可以作為汽車技術性能的綜合考查指標。
提高汽車的燃油經(jīng)濟性，即改進燃油的利用率，既可節(jié)約石油資源，又可降低我國對石油進口的依賴度;既降低運輸成本，又可提高運輸效益;并且可減少環(huán)境排放尾氣污染量，從而改善環(huán)境質(zhì)量。世界各國對提高汽車的燃油經(jīng)濟性都有自己的方法。在2002年年底，美國布什政府出臺提高輕型車燃油經(jīng)濟標準的相關法規(guī)，它們的第一步是從2002年的20.7MPG(miles per gallon，英里/加侖)提高到2007年的22.2 MPG，即等同于百公里油耗從11.36L/100km減少至10.60 L/100km。根據(jù)美國交通安全部的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，此舉意味著到2007年，美國的汽油消耗量可以減少25億加侖（1加侖=0.003785411784立方米）相當于9 463 529 460升。在1999年3月，日本在“能源合理消費法”中已經(jīng)第二次頒布關于改善機動車性能的公告，在此公告中，分別規(guī)定了總質(zhì)量小于2.5 t的載貨汽車和乘用車的油耗限定值，要求和1995年相比，2010年汽油車油耗限定值至少要降低20%。德國要求在汽車制造廠生產(chǎn)的汽車的平均燃油消耗量1980年的為9.25L/100km,1990年的為7.96L/100km, 2005年比1990年降低1/4。
綜上可見，較好的燃油經(jīng)濟性可以減少汽車的油耗，從而降低汽車的使用費用;進而降低國家總的石油消耗量，緩解國家能源危機。良好的燃油經(jīng)濟性還可以降低汽車CO、CO2、HC化合物及顆粒物的排放，有利于生活環(huán)境的改善。
1.2汽車油耗檢測的發(fā)展概況
上世紀七十年代中期以前，世界各國還沒有強制執(zhí)行汽車油耗法規(guī)或標準。1973年中東石油危機后，世界石油價格飛漲。此時，人們認識到石油資源的逐漸枯竭，也威脅到人類長遠的正常生活。許多工業(yè)發(fā)達國家同時也是石油主要進口國，他們進口的石油有相當大的部分消耗在汽車上，從能源的安全性考慮，如果不控制汽車的油耗，他們的經(jīng)濟發(fā)展可能會受控于石油出口國。于是1975年美國政府首先頒布了能源保護法和能源政策，并制訂了控制汽車燃油消耗量的法規(guī)，成為世界上第一部強制執(zhí)行的汽車油耗法規(guī)。
上世紀八十年代以來，世界各國開始關注溫室效應引起的全球范圍的氣候變暖。二氧化碳（)是造成溫室效應的主要因素，各種溫室氣體中約分擔了50%的責任，工業(yè)發(fā)達國家汽車排放的約占該國總排放量的30%-40%。由于汽車的燃油消耗量與的排放量有直接關系。于是，油耗法規(guī)的意義不單是能源問題，還關系到環(huán)境問題。
顯而易見，研究汽車燃料經(jīng)濟性對汽車節(jié)能、環(huán)境保護的意義重大。為此，世界各國都把降低汽車能耗作為一項基本國策，并成為汽車制造和交通運輸領域的重要課題。我國汽車行業(yè)從八十年代初就開始了制定汽車油耗標準的工作，制定了測各類車輛燃油消耗量的統(tǒng)一試驗方法標準，并頒布了各類車輛的行業(yè)性燃油耗量限值標準，如:
(1) GB/T 12545-1990《汽車燃料消耗量試驗方法》;
(2) JB 3809-1984《載貨汽車燃料消耗量限值》;
(3) JB 3806-1984《重型載貨汽車燃料消耗量限值》;
(4) GB/T 12545.1-2001《乘用車燃料消耗量試驗方法》;
由于這些都是行業(yè)性或推薦性的標準，加上油耗檢測起來相對麻煩，所以國內(nèi)多數(shù)檢測站沒有油耗檢測項目或者是有而不用，所以把油耗檢測真正納入檢測項目中來也是我國有待解決的問題。
1.3國內(nèi)外汽車油耗儀檢測研究現(xiàn)狀
燃油消耗量是評價汽油機經(jīng)濟性的重要指標，是汽車發(fā)動機的重要測量參數(shù)之一。因此，燃油消耗量的測量是汽車性能試驗的重要組成部分，其測量精度直接影響汽車實際性能指標、各項技術參數(shù)確定和主要附件的選配及調(diào)整等。目前，發(fā)動機臺架試驗多屬于穩(wěn)態(tài)工況，仍沿用傳統(tǒng)的質(zhì)量法或體積法測量發(fā)動機燃油消耗量。隨著汽車技術飛速發(fā)展，對其測試的手段也應同步發(fā)展。
目前的油耗儀多為體積式的，日本小野公司的FP-214型活塞式流量傳感器，最低采樣時間為0.1s，最小油量分辨率為lmL，傳感器量程為0. 3～120L/h。渦輪流量儀具有瞬時測量和累計功能，得到廣泛應用，可測量0.05 ～1200L/min的液體流量，在標定條件下，精度可達0.5%，響應時間2-10ms。中小功率汽油機燃油流量小，一般在10-3000mL/min，超出渦流流量計下限，為此國內(nèi)研制出不同大小的渦輪以滿足汽油機小流量測量的需要。以上兩種流量儀均用于汽車道路試驗，只能測量體積流量。美國Pierburg儀器公司的流量計為渦輪流量儀的改進型，流量范圍可從1 L/h起，響應時間為200ms精度可達士0.1%。奧地利的AVL公司研制的臺架試驗中發(fā)動機燃油耗的精確測量儀，在油量25時精度較高，臺架試驗測量范圍為0～150kg/h，盡管該油耗儀可進行動態(tài)測試，但由于仍是靜態(tài)燃油測量秤的改進，動態(tài)響應時間大于200ms。
國內(nèi)有關燃油消耗測量設備的報道較少，只有一些專利。而應用軟件與底盤測功機結合進行油耗測量的系統(tǒng)更加少，目前底盤測功機上應用的軟件都是一些串口調(diào)試軟件，通過與油耗儀結合，接受油耗儀的數(shù)字信號，通過計算機分析處理，得出油耗結果?，F(xiàn)在，國內(nèi)油耗測試市場還是主要沿用傳統(tǒng)的油耗儀測試方法和臺架試驗方法。
1.4課題研究背景及意義
由于燃油緊缺對汽車油耗這一參數(shù)提出了很高的要求，因此油耗儀作為其檢測設備也應具有相應的精度?，F(xiàn)有的油耗儀在出廠前通常只通過精密天平或者量筒對其進行標定。長期以來，油耗儀在生產(chǎn)和使用過程中缺乏檢驗裝置進行全面有效檢定，導致油耗儀失準，這是現(xiàn)有油耗儀質(zhì)量失控的主要原因。
1、我國經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，對石油資源的需求激增，能源供需矛盾日益突出
據(jù)公安部交管局發(fā)布的數(shù)據(jù)(按上牌數(shù)來計算，這是最權威的數(shù)據(jù)了)顯示，我國機動車保有量已達1.99億輛，其中汽車8500多萬輛，中國目前就汽車保有量已經(jīng)超過7500萬輛左右的日本，僅次于擁有約2.5億輛的美國，成為全球汽車保有量第二大國。而且我國還以每年新增機動車2000多萬輛的數(shù)量在增加。2002年中國有將近2050萬輛車，當時中國每天大約消耗540萬桶石油。而現(xiàn)在我們到底每天需要的石油消耗。根據(jù)國際能源組織的評估：僅中國自己就需要世界石油需求增長的40%，中國的能源消費占全球的10%，美國能源消費是中國的兩倍，因此中國石油的消費將增長7.6%，每天達920萬桶。到2015年中國預計將每天消費石油達到1160萬桶。
由汽車消耗的燃料占我國燃料消耗總量的40%左右。據(jù)預測到2020年車用燃油消耗為3.05億噸，換算成原油將超過5億噸，車用燃油成為我國新增石油消耗的主體。以中國的石油儲備量和2008年中國石油靜態(tài)消費量計算，我國的石油儲備再過10年將全部耗盡。如果想將之延長到20年，則50%以上的車輛必須停止行駛。目前，包括歐盟、美國、日本、韓國等在內(nèi)的很多國家和地區(qū)都已經(jīng)根據(jù)各自國情實施了不同形式的汽車燃料消耗量標示制度，作為控制汽車二氧化碳排放和油耗的支柱措施之一。
由于經(jīng)濟的飛速發(fā)展和機動車保有量急劇膨脹所引起的石油危機將在所難免，為此我國加快汽車節(jié)能管理體系的建立和完善。陸續(xù)出臺了相關標準：
《輕型汽車燃油消耗量試驗方法》于2003年出臺，解決了制造商在標示汽車油耗值時的隨意性，必須按照統(tǒng)一的試驗方法得到的數(shù)值來標示。
《乘用車燃料消耗量限值》GB19578-2004于2005年7月1日實施。我國首次按車輛重量分組確定不同汽車應該達到的燃料消耗量，實施后汽車廠商要通過產(chǎn)品文件和網(wǎng)絡等途徑向消費者公示生產(chǎn)車型的燃料消耗量;對于新認證車：第一階段的執(zhí)行日期為2005年7月1日，第二階段的執(zhí)行日期為2008年1月1日；對于在生產(chǎn)車：第一階段的執(zhí)行日期為2006年7月1日，第二階段的執(zhí)行日期為2009年1月1日。從2012年開始實施第3階段，將把車型燃油消耗量作為評價指標，從而取代原先按單車限制的評價方法。第3階段乘用車燃油消耗量限值標準將不再針對單車采用限值的燃油消耗量評價方法，而是從技術可實現(xiàn)的角度上，以整車裝備質(zhì)量為特征參數(shù)，為各個不同的質(zhì)量段分別設定車型燃油消耗量目標值。第3階段乘用車燃油消耗量限值標準的目標是使我國乘用車燃油消耗量平均水平在2006年的基礎上下降15%左右，到2015年達到7L/100km的目標。
《輕型商用車燃料消耗量限值》（GB20997-2007）為我國的輕型商用車設定了兩個階段的燃油消耗量限值：自2008年2月1日起，新認證基本型車及其變型車應符合第二階段限值要求；自2009年1月1日起，在2008年2月1日前認證車型的在生產(chǎn)車及其變型車應符合第一階段限值要求；自2011年1月1日起，適用于本標準的所有車輛應符合第二階段限值要求。第二階段目標實現(xiàn)后，我國輕型商用車的平均燃油消耗量可望減少10%～15%。
《低速貨車燃料消耗量限值及測量方法》（GB21378-2008）于6月1 日起實施。這項標準是我國第一項限制低速貨車燃料消耗量的強制性國家標準。低速貨車是指最高設計時速不大于每小時70公里，最大設計總質(zhì)量不大于4500千克的貨運車。
《營運客車燃料消耗量限值及測量方法》JT 711—2008規(guī)定營運汽油客車燃料消耗量限值在柴油客車燃料消耗量限值的基礎上相應增加15%。新投入的營運客車，2008年9月1日起執(zhí)行第一階段限值；2010年1月1日起執(zhí)行第二階段限值。
《輕型汽車燃料消耗量標示管理規(guī)定》規(guī)定從2010年1月1日起，所有最大設計總質(zhì)量在3500kg以下的乘用車和輕型商用車在銷售時都必須粘貼《汽車燃料消耗量標識》并標注由國家指定檢測機構按照統(tǒng)一的國家標準測定的市區(qū)、市郊、綜合三種工況的燃料消耗量;消費者可以根據(jù)購車后的預期使用情況參照相應的燃料消耗量選擇車輛。
2、油價不斷上漲，人們更加關注汽車油耗,廠家公布的油耗與實際差距很大
石油在1998年最低點每桶不足10美元到2008年突破140美元每桶?，F(xiàn)在每桶石油價格是105美元，而我們中國每天需要920萬桶石油。我們每天就石油一項每天需要96600萬美元。雖然我們自己國家開采石油可供應一半市場需求。那我們國家每天也在石油這一項需要支出外匯48300萬美元。而2010年我國新增2000萬輛新車。這些車都會增加我們多少石油消耗？換而言之是2010年我們需要使用比2009年更多的外匯購買石油！我們的機動車保有量，隨著這些年的經(jīng)濟發(fā)展，飛快的增長。所以經(jīng)濟、節(jié)油型汽車就是目前眾多汽車廠家研究的對象。而許多汽車廠商也開始推行自己的汽車百公里油耗。
但是汽車廠商宣傳的百公里油耗，是在理想狀態(tài)下測出的最小油耗，以60km/h等速或90km/h等速或45km/h等速測取。因此同類型、同價位車型間無法進行油耗對比。一輛排量2.4L的車，理論油耗為6.2L/100km，而實際油耗卻高達10L/100km以上。實測綜合油耗與理論油耗相差的竟然如此之大。
因此工業(yè)和信息化部公布《輕型汽車燃料消耗量標示管理規(guī)定》：針對總質(zhì)量在3.5t以下的乘用車和輕型商用車，包括國產(chǎn)和進口車型，在銷售時必須粘貼《汽車燃料消耗量標識》，并標注按照國家統(tǒng)一標準測定的市區(qū)、市郊、綜合三種工況的油耗量，并于2010年1月1日起施行。汽車燃料消耗量標示數(shù)據(jù)根據(jù)GB/T 19233-2008《輕型汽車燃料消耗量試驗方法》測定。
《輕型汽車燃料消耗量標示管理規(guī)定》,標志著統(tǒng)一標準下的車輛真實油耗即將取代目前車廠所公布的油耗數(shù)據(jù)。新車將被強制要求在指定檢測機構進行燃料消耗量檢測,以獲得統(tǒng)一標準下的車輛真實油耗數(shù)據(jù)。這在消費者對各種油耗值信任度下降的背景下,需要一個更專業(yè)、更權威的檢測數(shù)據(jù)來正本清源。
3、汽車油耗關系到環(huán)保節(jié)能及汽車前沿技術的發(fā)展和應用
我們的機動車保有量，隨著這些年的經(jīng)濟發(fā)展，飛快的增長。這些增長潛在著消耗我們的外匯和我們的環(huán)境與身體健康。
據(jù)統(tǒng)計，每千輛汽車每天排出一氧化碳約3000kg，碳氫化合物200—400kg，氮氧化合物50—150kg；美國洛杉磯市汽車等流動污染源排放的污染物已占大氣污染物總量的90%。汽車尾氣可謂大氣污染的“元兇”。
我們每年購買石油使用的美元千億上下！我們近2億輛機動車，如果全部開動，那么一天就會排出一項一氧化碳就是60萬噸。會對人體健康產(chǎn)生多么大的影響？！石油每年消耗我們數(shù)千億美元、機動車每天給我們呼吸的空氣中添加一氧化碳60萬噸。所以我中國面臨著國內(nèi)的油田產(chǎn)量已經(jīng)嚴重滿足不了國家與人民群眾的需求、必須每年外購千億美元的石油、使用石油帶來的嚴重的空氣污染、等等！這些嚴重的問題?，他迫切的要求我們對汽車燃油消耗進行精確控制，達到節(jié)能減排的目的。
2004年的產(chǎn)業(yè)政策，首次鮮明地提出國家引導和鼓勵發(fā)展節(jié)能環(huán)保型小排量汽車。汽車產(chǎn)業(yè)及相關產(chǎn)業(yè)要注重發(fā)展和應用新技術，提高汽車的燃油經(jīng)濟性，明確提出2010年前，乘用車新車平均油耗比2003年降低15%以上。要依據(jù)有關節(jié)能方面技術規(guī)范的強制性要求，建立汽車油耗公示制度。
國家發(fā)改委等相關部門制定的乘用車類汽車的節(jié)能目標也與我國的石油資源狀況吻合——即通過先進節(jié)能技術的應用，使燃料消耗量年均下降4%，到2020年共計下降50%，也即2020年時乘用車的平均燃料消耗量達到5L/100km，實現(xiàn)與國際水平的接軌。
因此研究汽車油耗檢測方法，采用不同的油耗檢測方法適應不同的檢測要求，具有重要意義。
1.5本設計主要研究內(nèi)容
我國對燃油消耗量的測量研究已取得一些成果。但是要提高汽車的燃油經(jīng)濟性，就要以燃油消耗量的準確測量為前提?；诔暡夹g的燃油消耗檢測儀器可以有效提高這種測量的精度。
本文主要研究的內(nèi)容：
（1）介紹基于超聲波技術的汽車油耗檢測技術理論；分析汽車油耗不同檢測方法的特點；設計本次油耗儀器的結構；
（2）確定基于超聲波技術的汽車油耗檢測的控制原理；設計建立汽車油耗檢測的數(shù)學模型；
（3）設計汽車油耗檢測儀器的總體結構和選擇硬件設備，并進行系統(tǒng)控制電路設計；
（4）根據(jù)儀器功能要求和油耗檢測數(shù)學模型等進行軟件系統(tǒng)流程設計，編寫控制程序流程圖；
（5）超聲波檢測儀器的外形設計；
（6）超聲波換能器的夾緊機構的設計。
第2章 超聲波式燃油消耗檢測儀的原理及方案的確定
2.1汽車油耗儀器的測量方法與分類
汽車油耗檢測方法包括直接測量法和間接測量法兩類。
2.1.1直接測量法
直接測量法通過計量一定時間或里程內(nèi)汽車所消耗的燃油體積或質(zhì)量，得到汽車的燃油消耗量。包括容積法、質(zhì)量法（失重法）等。
該方法需要將油耗儀串入發(fā)動機的燃油供給系統(tǒng),存在著安全問題(汽油揮發(fā)造成污染和易燃)；油耗儀串入到油路中會影響到發(fā)動機燃油的供給和燃油消耗量的測試精度；同時,油耗儀的安裝連接十分不便；安裝和測量過程時間較長。
（1）容積法、質(zhì)量法油耗檢測原理
如圖2.1所示，系統(tǒng)采用流量傳感器檢測燃油流量信號，并將信號送給單片機處理，單片機根據(jù)存儲器中存儲的數(shù)據(jù)和相應的控制程序得到不同要求和條件下的油耗量，通過顯示器或打印機進行數(shù)據(jù)輸出，通過鍵盤實現(xiàn)人機交互功能，還可通過通訊接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，擴展系統(tǒng)功能。
通常體積流量檢測采用渦輪流量傳感器、超聲波流量計等，質(zhì)量流量檢測采用壓差傳感器（質(zhì)量傳感器）。
圖2.1 油耗檢測原理
發(fā)動機進、回油管道上各安裝一只渦輪流量傳感器,用來得到進、回油管道的流量信號，并送入單片機。單片機對進、回油管道流量信號進行處理,并做溫度修正,得到進、回油管道標態(tài)體積流量,然后對進、回油管道的流量進行差值計算,累加得到實際燃油消耗量。
（2）油耗測量計量方法
①容積法測量。在測量范圍內(nèi),傳感器輸出的脈沖頻率與體積流量成正比,該比值即體積儀表系數(shù)K,計算公式:
或 （2.1）
式中:
為流量信號頻率,Hz；
為體積流量,l/h；
為脈沖數(shù)；
為體積總量,L。
將儀表系數(shù) K預先置入單片機中,單片機即可由獲得的流量脈沖頻率 f 與儀表系數(shù)K之比求得管道燃油流量Q。
②質(zhì)量法（失重法）測量，如圖2.2所示。
圖2-2 質(zhì)量法（失重法）測量原理
圖中：1-密封貯油罐 2-質(zhì)量傳感器 3-信號處理4-電路電磁閥 5-供油管 6-出油管 7-旁通管
密封貯油罐固定于質(zhì)量傳感器之上,質(zhì)量傳感器輸出與油罐內(nèi)的燃油質(zhì)量成正比的電信號：
（2.2）
式中為油罐自重；為罐內(nèi)燃油質(zhì)量；為貯油罐總質(zhì)量。
測量時,傳感器輸出的電壓信號隨著油罐中燃油的消耗而降低。對測量過程傳感器輸出的電壓信號求導，k為儀表常數(shù)：
（2.3）
2.1.2間接測量法
間接測量法即不解體測量法，包括碳平衡法、超聲波法（測體積流量）、燃油噴射量累積法等。
（1）碳平衡法
通過發(fā)動機混合氣燃燒前、后的碳(C)質(zhì)量守恒,得到汽車的燃油消耗量?；谖镔|(zhì)守恒定律。該方法只要測得排氣 (或稀釋排氣) 中含C成分(主要是CO2、CO、HC) 和排氣(或稀釋排氣)的流量,就可得到排氣中總的C質(zhì)量；燃燒前的C質(zhì)量主要來源于燃料 ,同時考慮參與燃燒的空氣(或用于稀釋的空氣)含有的C。因此,只要測量(稀釋) 排氣的流量和含C成分的濃度以及空氣中的含C成分濃度,就可實現(xiàn)汽車和發(fā)動機不解體燃油消耗量的測量,解決直接測量法存在的弊端。
（2）燃油噴射量累積法
根據(jù)電控噴射發(fā)動機的特性及原理，汽車耗油量與噴油器的開啟時間成正比，直接通過采集噴油器的控制脈沖寬度（即噴油時間），找出耗油量和控制信號脈寬之間的關系，只需測量控制信號脈寬就可以計算出相應的耗油量及耗油率。
（3）超聲波法（測體積流量）
當超聲波在流動的媒質(zhì)中傳播時，超聲波速度與靜止媒質(zhì)的傳播速度有所不同，其變化值與媒質(zhì)流速有關。因此根據(jù)超聲波速度的變化即可求出媒質(zhì)流速。
2.2超聲波流量計發(fā)展歷程與研究現(xiàn)狀
2.2.1超聲波測量技術發(fā)展概況
超聲波流量測量技術是一種利用超聲波信號在流體中傳播時所載流體的流速信息來測量流體流量的新的測量技術。這種技術不僅應用在工業(yè)的石油、水資源的管理等各方面，而且在醫(yī)療、海洋觀測、河流及各種計量測試中都有著廣泛的應用。
20世紀30年代，Rutten發(fā)表的專利提出了用聲信號測量流量，帶動了各國超聲波流量測量的研究，如美國、意大利等相繼出現(xiàn)，但都沒有大的進展，都局限十對相位差法的研究。50年代，出現(xiàn)“鳴環(huán)”測量法，即通過多次循環(huán)測量，其測量周期長，響應慢，系統(tǒng)可靠性差。20世紀70年代中后期，由于電路技術的發(fā)展，使得超聲波流量計克服了一些以前的弱點，使高精度時間測量成為可能，加上具有高性能的鎖相環(huán)(PLL)技術的應用，使得超聲波流量計的性能開始完善，在穩(wěn)定性和可靠性方面得到了提高。聲速變化會對測量結果產(chǎn)生影響，所以出現(xiàn)了頻差法，來消除聲速帶來的誤差。鎖相頻差法測量方法，測量周期短，響應速度快，所以這種測量方法在大管徑大流量的超聲波流量計的設計得到應用并且測量精度得到保證，但缺點是不能應用在小管徑小流量的測量，保證不了測量的精度。加上前蘇聯(lián)的科研工作者通過大量的實驗對管道內(nèi)流體作了深入的研究，得出管道內(nèi)流體流動存在層流和紊流兩種狀態(tài)，并給出了層流狀態(tài)與紊流狀態(tài)下流速分布規(guī)律，為了使超聲波流量計的測量更加準確，精度得到提高，提出了流速修正系數(shù)及理想狀態(tài)下的理論計算公式。至此，性能日益完善的超聲波流量計投入市場，開始迅速發(fā)展起來。到了80年代，隨著電子技術及相關理論的發(fā)展，超聲波流量計的種類也越來越多，其中最主要的是頻差法、時差法、多普勒法、相關法、射束位移法等。后來單片機技術在超聲波流量計得到應用，有了單片機做核心控制處理單元，使得系統(tǒng)能夠進行復雜的數(shù)據(jù)運算、分析與邏輯處理，還能設計出方便于用戶使用的人機界面，使得超聲波流量計向高性能、智能化方向發(fā)展。單片機在超聲波流量計中的使用，超聲波流量計真正開始走向了成熟。
最近10多年來，由于微處理器技術的進步、高速數(shù)字芯片的出現(xiàn)和數(shù)字信號處理技術的成熟，以及先進壓電陶瓷和材料加工技術的發(fā)展，對超聲波聲道的不同配置和對流體動力學的深入研究，超聲波流量測量技術取得了巨大的進步，在越來越多領域得到了應用，具有廣闊的發(fā)展前景。
2.2.2超聲波流量計國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
當今全世界超聲波流流量測量技術處于領先水平的國家有:美國、日本、荷蘭、德國、英國、和加拿大等。它們在超聲波流量計方面具有較高的技術，在研制和生產(chǎn)方面具有豐富的經(jīng)驗，占據(jù)了很大部分份額的超聲流量計市場，主導著超聲波流量計的發(fā)展趨勢。他們的測量技術和測量精度都達到了較高的水平。較多的國外產(chǎn)品采用數(shù)字信號處理技術。同時結合功能強大的DSP（數(shù)字信號處理Digital Signal Processing技術）實現(xiàn)快速實時地對超聲波信號進行處理，并實現(xiàn)一些復雜的測量或數(shù)據(jù)處理算法。在測量方法方面有的利用改進的算法，來提高系統(tǒng)的測量精度，使得超聲波流量計得到更廣泛的應用。
我國對超聲波流量計的研究起步較晚，發(fā)展時間并不長。早期使用的都需要從國外購買。后來通過科研人員的努力，引進國外先進技術，使得超聲波流量計發(fā)展起來。國內(nèi)生產(chǎn)超聲波流量計廠家主要有唐山匯中儀表有限公司、唐山大方電子技術有限公司、上海自動化儀表有限公司、大連長風電子有限公司、大連索尼卡電子有限公司、北京衡安特測控技術有限公司等。但是我們的產(chǎn)品和國際水平還是存在較大的差距，我們大多采用簡單的算法和以單片機為系統(tǒng)核心進行信號處理，使得在信號處理速度和精度上受到限制。
（a）1010P 便攜式超聲波流量計 (b)FV3018固定式超聲波流量計
廠商：美國康了創(chuàng)Controlotron 廠商：大連索尼卡電子有限公司
（c）TDS-100H 手持式超聲波流量計 （d）TDS-100S 盤裝式超聲波流量計
廠商：上海橫特自動化儀表有限公司 廠商：大連大禹儀器儀表有限公司
圖2.3 超聲波流量計產(chǎn)品圖
目前國內(nèi)外較多的采用多普勒法和時差法來實現(xiàn)超聲波流量測量技術。但在應用對象上有一定區(qū)別，其中多普勒法主要用于含有較多的懸浮顆粒和氣泡的場合，時差法主要用于測量均勻純凈的流體。有些場合也采用兩種混合的方法。
近年來由于大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，數(shù)字處理技術越來越成熟，DSP芯片的功能日益完善與強大，以其精度高、處理速度快、性價比高等優(yōu)勢，被越來越多的領域所使用，為超聲波流量計的發(fā)展提供了有利條件，以及高精度測時芯片的出現(xiàn)，為時差法超聲波流量計的計時精度提供了保證。以軟、硬件資源豐富的DSP為處理核心的超聲波流量計來廣泛取代國內(nèi)的以單片機為核心的超聲波流量計，并結合一些數(shù)字信號處理技術來對信號進行處理分析等，來改善超聲波流量計的測量精度，使我國的超聲波流量測試技術能與國外技術相抗衡，帶動科學技術的發(fā)展，更好的為國民經(jīng)濟作出貢獻。
圖2.3給出了幾種超聲波流量計產(chǎn)品的照片，美國康樂創(chuàng)的IOIOP便攜式超聲波流量計，采用外火式安裝換能器，內(nèi)置時差式和I多普勒式兩種測量技術，既可以測量脫離子水也可以測量高含氣或固體顆粒的液體，可測量的管徑范圍從6mm到10m,精度為0.5%,。大連索尼卡的FV3018是管外測量時差式超聲波流量計，測量管徑從15mm到6m，精度為士1.0%。上海橫特自動化儀表的TDS-1 OOH手持式超聲波流量計，采用時間差超聲測量原理，適用管徑范圍為15mm到6m,精度優(yōu)于1%。大連大禹儀器儀表的TDS-100S盤裝 式超聲波流量計，口徑也是15mm到6m，是國內(nèi)最先到達精度為1%的超聲波流量計。
2.3管道流量測量的理論基礎
2.3.1流量的基本概念
流量是指單位時間內(nèi)流過某一截面的流體量，又稱為瞬時流量。流量又分為質(zhì)量流量和體積流量，質(zhì)量流量是指單位時間內(nèi)流過流體的質(zhì)量，體積流量是指單位時間內(nèi)流過流體的體積。質(zhì)量流量一般用表示，體積流量一般用表示。用數(shù)學表達式可以表示為
（2.4）
（2.5）
式中:
-----------體積流量，；
----------質(zhì)量流量，；
----------流體體積，；
----------流體質(zhì)量，；
-----------時間，；
----------流體密度，；
----------管內(nèi)面平均流速，m/s；
----------管道截面積，。
如果流體流動是不隨時間顯著變化的，稱之為常流，式(2.4)和式(2.5)中的時間△t可以取任意單位時間。如果流動是非定時常流，即流量隨時間不斷變化，則式(2.4)和式(2.5)中的時間△t應足夠短，以致可以認為在該段時間內(nèi)流動是穩(wěn)定的。所以流量的概念是瞬時的概念，流量是瞬時流量的簡稱。
在一段時間內(nèi)流過管道橫截面或明渠橫斷面的流體總量稱為“累積流量”，也常被稱為“總量”。在數(shù)值上它等于流量對時間的積分，例如時刻到時刻的累積體積流量和累積質(zhì)量流量的計算公式為：
（2.6）
（2.7）
2.3.2管道內(nèi)流體理論
1.管道內(nèi)流體的流動狀態(tài)
由于實際流體具有粘性，當實際流體在管道中流動時，一般有兩種流動狀態(tài)，一種是層流流動，一種紊流流動。這是兩種性質(zhì)截然不同的流動狀態(tài)，流速的計算方法也不相同。
層流狀態(tài)是指管內(nèi)流體只有軸向的運動，而無垂直于流體流動方向的橫向運動。層流流動時，管內(nèi)流體分層流動，各個流層之間互不混雜，平行于管道軸線方向流動，流層間沒有流體質(zhì)點的相互交換。流體通過一段管道的壓力降與流量成正比。
紊流狀態(tài)是指流體質(zhì)點既有軸向的運動，也有橫向的運動。紊流流動時，管內(nèi)流體不再分層流動，流體中質(zhì)點除了沿管道軸線向外流動外，還有劇烈的徑向運動，流體通過一段管道的壓力降與流量的平方成正比。
區(qū)分管內(nèi)流動是層流流動還是紊流流動的判斷依據(jù)是一個無量綱數(shù)，稱為雷諾數(shù)，用R。表示.
2.管道內(nèi)流體的流速計算方法
在管道橫截面上流體速度軸向分量的分布模式稱為速度分布。這是由于實際流體都具有粘性而造成的。一般規(guī)律是，越靠近管壁，由于流體與管壁的粘滯作用，流速越小，管壁上的流速為零;越靠近管中心，由于流體與管壁的這種粘滯作用越小，流速就越大，管道中心的流速值達到最大。
管道內(nèi)的流動狀態(tài)不同，所呈現(xiàn)的流速分布也不同。人們在長期的生產(chǎn)實踐中對管內(nèi)的流體流速分布做了不少的研究，提出了很多流速分布模型。下面只介紹一種比較簡單的流速分布模型。即層流流動時：
(2.8）
紊流流動時:
（2.9）
式中：
----------管道中心的徑向距離，；
-----------距管道中心Yx處的流速，m/s；
---------管道中心的最大流速，m/s；
----------管道半徑，m；
----------隨雷諾數(shù)變化而變化的指數(shù)，無量綱數(shù)。
通過檢測流體速度來求得流量的速度式流量計，一般都是檢測管道內(nèi)流體的平均流速來求得流量的。在流量測量中，平均流速是一個很重要的參數(shù)，如計算雷諾數(shù)和流量等數(shù)據(jù)時，只要用到流速的地方，幾乎都是用平均流速來計算的。
所謂平均流速，就是指管道截面上的平均流速。當管內(nèi)流體以某一流速均勻分布時，通過管道某截面的流量正好等于管內(nèi)流體以某一速度分布時通過該管道截面的流量，則就是該截面上速度分布為時的平均流速。
其數(shù)學表達式為：
（2.10）
對于圓管，將代入上式，得到層流狀態(tài)下的平均流速為:
（2.11）
紊流狀態(tài)下平均流速為：
（2.12）
對于超聲流量計，由于聲波并非經(jīng)過整個管道截面，而往往是經(jīng)過管道的中心軸方向，所以它測量的流速是管道中心軸方向的平均流速，一般記為v.
其數(shù)學表達式為：
（2.13）
對于圓管，將代入式(2.10)，得層流狀態(tài)圓管內(nèi)中心軸向上的平均流速為：
（2.14）
截面平均流速為：
（2.15）
紊流狀態(tài)下，圓管內(nèi)中心軸向上的平均流速為：
（2.16）
則截面平均流速為：
（2.17）
2.3.3流速補償系數(shù)對流速公式的修正
測量流體通過某截面的流量時，需要測量垂直截面的面平均流速，而從穿過流體的超聲波信號中檢測出的流體流速是沿超聲波傳播路徑上的線平均流速，它們的關系應從流體力學中加以修正。線平均流速與面平均流速的差異，取決于流速的分布情況。當管道線平均流速值為V時，它與截面平均流速，之比稱為流速補償系數(shù)。
由流體力學可知，流速補償系數(shù)K取決于管道的雷諾數(shù)，而又取決于流體的流速、管徑和流體的粘度等因素。其值可查找相關圖表得到，也可通過計算得到，當流體在圓形管道內(nèi)流動時，可以寫成
(2.18)
式中:
----------管內(nèi)流體的線平均流速，
----------管道內(nèi)徑，
----------管內(nèi)流體的流動粘度，
的大小決定了流體的流動狀態(tài)，與的關系根據(jù)流體的流動狀態(tài)不同而不同，可用如下公式計算：
1、當流體呈層流狀態(tài)時：
（2.19）
2、當流體呈紊流狀態(tài)時：
（2.20）
3、當流體流動狀態(tài)介于層流狀態(tài)與紊流狀態(tài)之間時：
（2.21）
以上K的計算公式都是基于這樣一種假設前提：即換能器的安裝起點前后有足夠的直管段。事實上，由于流速分布規(guī)律的復雜性，特別是對紊流狀態(tài)下的流速分布規(guī)律，還沒有十分準確的認識，因此如何得到比較精確的K值是制約超聲流量計進一步提高測量精度的關鍵問題之一。但是到目前為止，由于管道流體流速分布規(guī)律的復雜性，人們對流體流速分布規(guī)律和流速分布的研究僅限于理想管道流，即光管層流條件下的流體流速分布規(guī)律和光管紊流條件下的流體流速的分布規(guī)律。
2.4超聲波流量測量的原理
超聲波流量計按其測量原理其常用的測量方法有：傳播速度差法、多普勒法、相關法、波束偏移法、噪聲法、旋渦法、流速-液面法等，各種方法在流量測量測量中具有自的特點，可以根據(jù)被測流體、精度要求等來選擇哪種類型的超聲波流量計。最常用的是時差法（傳播速度差法）和多普勒法。
2.4.1時差法
傳播速度差法是根據(jù)超聲波信號在流體介質(zhì)中，受介質(zhì)流速的影響，導致順流傳播和逆流傳播速度不同，從而來計算流速，進而求得流量的。按所測物理量的不同可以分為時差法、頻差法和相位差法。就超聲波探頭的配置方法不同，傳播速度差法又分為：Z法(透過法)、v法(反射法)、x法(交叉法)等，如圖2.4所示。
Z法(透過法)
v法(反射法)
x法(交叉法)
圖2.4 傳播速度差法的基本配置法
當流體平行于管道中心軸方向流動時，采用直接透過法(z法)測量，能夠得到較好的精度。當流動的方向與管道中心軸不平行或存在著沿半徑方向流動的速度成分時，采用發(fā)射法(v法)，可以避免由速度分量產(chǎn)生的誤差。當換能器安裝間隔受到限制時，可用v法的變形方法交叉法(x法)。
圖2.5 傳播速度差法原理圖
時差法是利用超聲波在流體中傳播的時間頻率差來測量的。如圖2.5中，超聲波在靜止流體中的速度為c，流體的速度為V，管內(nèi)徑為D，發(fā)射角為θ。
順流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間為：
（2.22）
逆流方向發(fā)射超聲波脈沖的傳播時間為：
（2.23）
傳播時間差為：
（2.24）
由于超聲波傳播速度c遠遠大于流體速度，故可以認為，得
（2.25）
由此可得：
（2.26）
而時間差可以用控制電路來進行控制。
2.4.2多普勒法
多普勒超聲波流量計是利用聲波的多普勒效應進行測量的。多普勒效應可表述為:當發(fā)射器和接收器之間有相對運動的時候，接收器所接收到的聲頻率就會發(fā)生改變，這個相對于聲源頻率的變化就是多普勒頻移，其大小是正比于發(fā)射器與接收器之間的相對速度。發(fā)射角為，則多普勒頻移為
（2.27）
所以可通過測量得到流速：
（2.28）
這種方法測量的超聲波流量計不但具有一般超聲波流量計的優(yōu)點，如可安裝在管外,無流動壓損等，而且在測量時響應靈敏、分辨率高，不易受流體的狀態(tài)參數(shù)等的影響，但它的測量精度會受固體顆粒大小、濃度的影響，所以主要應用于精度要求不高顆粒及雜質(zhì)比較多的不均勻流體流量測量，利用多普勒頻移來獲得流量，在比較潔凈的流體中就難以發(fā)揮作用。
2.4.3相關法
相關法是建立在信息論和隨機理論的基礎上，相關法流量計是流動標記法的一種，它的原理是：大多數(shù)流體在管道內(nèi)以相關方式運動的湍流模式存在的，流動介質(zhì)中可以觀測到的某種示蹤標記沿流動方向兩固定點所渡越的時間，來求取流速及流量。如果在固定點上安裝兩對探頭，接收探頭接收到的信號在時域上是接收探頭接收到信號的一個簡單延遲，其延時就是示蹤標記的渡越時間，設兩探頭間的距離為，得到
（2.29）
的求取是通過互相關法得到的。兩組信號的互相關函數(shù)可以表示為：
（2.30)
當延時時，的值很??； 時，兩組信號重合，達到最大。
相關法具有較高的抗干擾性，測量的準確度高，多用于兩相流的流速測量中，可以采用多個控制截面來提升系統(tǒng)的測量精度。但是它的缺點是需要多個超聲波傳感器，從而增加了成本，線路也變得復雜。
2.5超聲波測量方案的確定
從前面分析的幾種超聲波流量計的原理及各方面的要求出發(fā)，同時考慮到本超聲波測試系統(tǒng)測量的是不含雜質(zhì)的液體，本文采用時差法進行測量。時差法是利用超聲波在流體中傳播的時間差來測量的，控制方法分別以順流/逆流超聲波發(fā)射時間及時差公式（2.22、2.23、2.24）可得到傳播時間差。進而得到在內(nèi)的傳播速度。
再利用公式
（2.31）
（2.32）
來求得流速，再利用公式2.32（流量公式）從而算出流量。所以測出流速是本文的重點，而測流速關鍵又在于順流傳播時間和逆流傳播時間的測量。測量流速公式中不含聲速c，提高系統(tǒng)測量精度。為了降低成本，采用兩個探頭，兩個換能器的切換控制原理如圖2.3所示，兩個探頭火裝在管道的外面，順流傳播時，探頭A發(fā)射超聲波，探頭B接收載有流速信息的超聲波信號；逆流傳播時，B發(fā)射，A接收，兩個探頭交替地發(fā)射和接收超聲波信號，并且采用Z法安裝，兩個探頭收發(fā)復用，利用控制電路對其收發(fā)進行切換。就可以實現(xiàn)A、B的收發(fā)復用的轉(zhuǎn)換了。
圖2.6 換能器切換控制原理圖
考慮到系統(tǒng)的響應速度和數(shù)據(jù)處理能力，利用程序芯片進行計算就可以得到需要的測量值。
其過程大致可以分為如下情況：
第一，超聲波信號的發(fā)射與接收過程，放大、濾波電路進入主程序。
第二，在核心處理部分，進行順流傳播時間與逆流傳播時間的測量，流量的計算等;
第三，最后得出流量輸出，通過串口輸出或者打印。
2.6本章小結
超聲波應用到流量計量當中也是當今人們越來越關注的問題。在本章中介紹了燃油消耗儀器的分類方法和超聲波流量計的發(fā)展歷史與研究過程以及超聲波法測量流量的測量原理。然后針對管道