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０引言
　　流量是現(xiàn)代工業(yè)測量過程中的一個(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(jī)試車臺多使用渦輪流量傳感器測量發(fā)動機(jī)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(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(jī)燃油消耗量屬重要參數(shù)，測量意義重大，有利于正確飛行方案，有效提高載油利用率［５］。在進(jìn)行無人機(jī)燃油流量檢查過程中，發(fā)動機(jī)在低速狀態(tài)下開車，燃油流量測量不準(zhǔn)確。本文主要對此故障進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)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(shí)，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(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)子開始運(yùn)動［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，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(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：

Ｎ為線圈的匝數(shù)，ΔΦ為磁通量變化，ΔＴ為變化時(shí)間。因此，燃油流過渦輪流量傳感器時(shí)，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(gè)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(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(shí)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(jī)控制器通過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，經(jīng)過第一級運(yùn)算放大器將微小交流信號進(jìn)行放大并限幅，消除幅值為負(fù)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(shí)，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(jìn)行電氣隔離，電信號單向傳輸，由單片機(jī)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(jì)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。

　　在渦輪流量傳感器標(biāo)定試驗(yàn)臺中進(jìn)行傳感器標(biāo)定，針對主流量點(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(jī)在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下開車，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，已經(jīng)超過傳感器實(shí)際測量范圍，此時(shí)理論值：

應(yīng)為８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／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。

　　由曲線可以看出，在發(fā)動機(jī)未起動時(shí)，燃油流量為０Ｌ／ｈ，故障未出現(xiàn)；在發(fā)動機(jī)起動至最低轉(zhuǎn)速時(shí)，燃油流量出現(xiàn)異常，在５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ隨機(jī)跳動；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(jìn)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(shí)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(jì)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(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轉(zhuǎn)換過程建立邏輯模型，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(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過零比較處，脈沖頻率較高，且幅值不穩(wěn)定。而在高流量時(shí)，脈沖信號頻率與真實(shí)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?yàn)橥饨绱艌龈蓴_。
３.２　
　　驗(yàn)證試驗(yàn)為確定故障原因，在燃油測試臺中進(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(yàn)結(jié)果表明，在未加入外界干擾時(shí)，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(jī)計(jì)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２２ｍＶ左右，轉(zhuǎn)換脈沖信號最高幅值不穩(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。

　　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(shí)信號和干擾信號，導(dǎo)致燃油測量不準(zhǔn)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(zhǔn)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(jìn)行了故障仿真及驗(yàn)證試驗(yàn)。最終確定了故障原因?yàn)橥饨绱艌龈蓴_，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。

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