專(zhuān)利名稱(chēng)：高靈敏度車(chē)用渦輪流量計(jì)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種測(cè)定汽車(chē)日常耗油的流量計(jì)量裝置，應(yīng)用于公共汽車(chē)的累計(jì)油耗和瞬時(shí)油耗的精確計(jì)量，屬于機(jī)電一體化領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
公共汽車(chē)運(yùn)營(yíng)的生產(chǎn)成本相當(dāng)大部分來(lái)源于每日消耗在公共汽車(chē)上的汽車(chē)燃油。 燃油是消耗量大、價(jià)值高的原材料，節(jié)約燃油對(duì)降低生產(chǎn)的成本效果可觀。汽車(chē)燃油的消耗 已引起了相關(guān)管理部門(mén)的重視，但因汽車(chē)燃油沒(méi)有較準(zhǔn)確的計(jì)量裝置而無(wú)法落實(shí)管理。因 此采取安裝燃油計(jì)量裝置的方案實(shí)現(xiàn)對(duì)公共汽車(chē)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，便于對(duì)汽車(chē)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)考核 和杜絕燃油的浪費(fèi)現(xiàn)象。節(jié)約燃油不僅有直接的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)減少汽車(chē)尾氣污染、保護(hù)環(huán)境 也起到積極的作用。渦輪流量計(jì)是葉輪式流量計(jì)的主要品種，它是目前流量?jī)x表中比較成熟的高精度 儀表，適用于輕質(zhì)成品油、石化產(chǎn)品等液體和空氣、天然氣等低粘度流體介質(zhì)，可實(shí)現(xiàn)瞬時(shí) 流量和累積流量的計(jì)量。在渦輪流量計(jì)的相關(guān)技術(shù)方面，國(guó)內(nèi)的渦輪流量計(jì)其主要的特點(diǎn)在于測(cè)量精度 高，液體的相對(duì)測(cè)量誤差可達(dá)到0. 2% 0. 5% ；測(cè)量范圍寬，適用于流量大幅度變化的場(chǎng) 合；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝使用方便，無(wú)滯流部分，如果發(fā)生故障，并不影響管道內(nèi)液體的輸送；渦 輪流量計(jì)的輸出是與流量成正比的脈沖信號(hào)，所以通過(guò)傳輸線路不會(huì)降低其精度，容易進(jìn) 行累計(jì)顯示，便于遠(yuǎn)距離傳送和積算儀的處理，抗干擾能力強(qiáng)。盡管?chē)?guó)內(nèi)公共汽車(chē)具備燃油總量的近似測(cè)量裝置，但精確度差，無(wú)法實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)油 速的測(cè)量，并易受使用環(huán)境影響，總的來(lái)說(shuō)，目前傳統(tǒng)的渦輪流量計(jì)主要存在以下幾點(diǎn)不 足第一，在一般原理上傳統(tǒng)渦輪流量計(jì)無(wú)法適用該應(yīng)用場(chǎng)合傳統(tǒng)的渦輪流量計(jì)大部分 使用的是變磁阻式的傳感器原理，它利用了金屬葉片切割磁力線的方式輸出波形，然后整 形放大進(jìn)行計(jì)數(shù)；該方法并不適用于小口徑低流速的使用環(huán)境，如果采用這種原理，該變磁 阻式傳感器會(huì)對(duì)金屬葉片產(chǎn)生很大的吸引力，進(jìn)而產(chǎn)生較大的阻力，對(duì)于小型葉輪來(lái)說(shuō)，足 以使該葉輪無(wú)法輕易轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，小型的變磁阻式渦輪流量計(jì)在低流速的情 形下，其計(jì)量靈敏性和精確度大打折扣，甚至根本沒(méi)有讀數(shù)。第二，國(guó)內(nèi)汽車(chē)油耗測(cè)量技術(shù) 尚存在空白國(guó)內(nèi)高靈敏度的流量計(jì)在醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域使用較多，但還沒(méi)有涉及公車(chē)油耗的 測(cè)量領(lǐng)域，需要針對(duì)汽車(chē)的實(shí)際使用要求，從葉輪的形狀、材料、安裝方式和系數(shù)調(diào)整上進(jìn) 行一體化的規(guī)范設(shè)計(jì)，并研制專(zhuān)用的顯示儀表。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了一種適用于公交車(chē)駕駛時(shí)顯示其油耗的流量計(jì)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)瞬間 耗油和累計(jì)耗油的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該產(chǎn)品需要一個(gè)具備萬(wàn)年歷的時(shí)鐘模塊，方便駕駛員查看當(dāng) 前時(shí)間，以便安排輪班時(shí)間以及記錄汽油用量的時(shí)間；同時(shí)需要記錄每個(gè)駕駛員在其上班 期間使用的油量，在其離崗之前手動(dòng)存儲(chǔ)該油量值到電路的存儲(chǔ)器里邊，并且存入的分段油耗不斷累加，生成一個(gè)常年累積的總油耗值，以供使用者對(duì)公車(chē)油耗量進(jìn)行一個(gè)全面的 認(rèn)識(shí)與評(píng)估；該流量計(jì)還具備掉電保護(hù)的功能，數(shù)據(jù)不因斷電而清零；油耗的計(jì)量準(zhǔn)確，快 速并且不易受汽車(chē)駕駛環(huán)境的影響。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案本發(fā)明包括機(jī)械部分和電路部分。 所述的機(jī)械部分包括外殼13、設(shè)置在外殼13內(nèi)部的兩個(gè)導(dǎo)向體11、以及設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向體 11之間的葉輪14，所述外殼13的兩端分別設(shè)置有用于與管道相連接的外螺紋，兩個(gè)導(dǎo)向體 11的外端面固定在外殼的內(nèi)壁，兩個(gè)導(dǎo)向輪的內(nèi)端面上設(shè)置有夾角為90的圓錐孔，葉輪的 兩個(gè)軸端加工成夾角為60度的圓錐軸，葉輪的60度圓錐軸與導(dǎo)向輪的90的圓錐孔配合安 裝，在與葉輪14位置對(duì)應(yīng)的殼體13的外壁上開(kāi)有一槽，霍爾檢出器3安裝在該槽內(nèi)，霍爾 檢出器3與葉輪14的邊緣之間的距離為0. 3 0. 6mm。所述的葉輪由葉輪輪轂和沿葉輪輪轂圓周均勻分布的葉片組成，葉片的切向平面 與葉輪輪轂的端面形成的夾角的取值范圍為20 25度，葉輪14的個(gè)數(shù)為4個(gè)。所述的機(jī)械部分中的兩個(gè)導(dǎo)向體11的外端面與殼體13之間的連接關(guān)系為兩個(gè) 導(dǎo)向體的外端面均固定有一壓緊圈10，壓緊圈10具有外螺紋，外殼13內(nèi)壁具有內(nèi)螺紋，壓 緊圈10和外殼13之間構(gòu)成螺紋連接。所述的電路部分包括控制器、液晶顯示模塊、按鍵模塊、汽車(chē)電源、霍爾檢出器和 時(shí)鐘芯片，其中霍爾檢出器檢測(cè)葉輪14轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)，并將其傳送給控制器，控制器 根據(jù)該脈沖信號(hào)計(jì)算出瞬時(shí)流速、分段流量和總流量值。所述的瞬時(shí)流速由公式Q = f/k計(jì)算，其中Q為瞬時(shí)流速，Q的單位為L(zhǎng)/s，k為 儀表系數(shù)，k的取值范圍在49751 51813之間，單位為L(zhǎng)—1 ；f為霍爾檢出器的信號(hào)頻率，單 位為Hz，即每秒鐘霍爾檢出器傳送給控制器的脈沖的個(gè)數(shù)。所述的分段流量的計(jì)算方法為=Q1 = n/k，其中Q1為分段流量，單位為L(zhǎng)，k為儀表 系數(shù)，與計(jì)算瞬時(shí)流速時(shí)k的取值相同；η為一個(gè)時(shí)間段內(nèi)霍爾檢出器傳送給控制器的脈沖 個(gè)數(shù)之和，分段流量描述的是每個(gè)司機(jī)上班時(shí)間段內(nèi)，所計(jì)燃油消耗的一個(gè)累計(jì)值，并不斷 更新，在下個(gè)司機(jī)輪班之前通過(guò)按鍵模塊進(jìn)行清零。所述的總流量值的計(jì)算方法為Q2 = N/k，其中Q2為分段流量不斷累加的總和，單 位為L(zhǎng)，k為儀表系數(shù)與計(jì)算瞬時(shí)流速時(shí)k的取值相同；N為各分段流量計(jì)算中η的累加值， 例如總共輪班5次，各自的分段流量為叫、η2、η3、η4、η5,則系統(tǒng)累加N = ni+n2+n3+n4+n5,在 單片機(jī)中完成除法，得到總流量值Q2，其意義為常年累計(jì)每個(gè)司機(jī)換班之后使用汽油的油 耗值，掉電保護(hù)，基本不用清零。按鍵模塊與控制器相連，在按鍵模塊的控制下，控制器能夠分別將分段流量、瞬時(shí) 流速和總流量值送至液晶顯示模塊顯示；時(shí)鐘芯片與控制器相連，為控制器提供時(shí)間信息；汽車(chē)電源為以上各電路部分提供電源。本發(fā)明基于渦輪流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，考慮了公共汽車(chē)汽油流速較低的問(wèn)題，以高靈敏 性為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)流量計(jì)的傳統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用要求進(jìn)行了電路設(shè)計(jì)， 包括以下幾點(diǎn)第一，機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)葉輪的葉片傾角進(jìn)行了模擬分析，采用了國(guó)際流行的有限元分析軟件ANSYS對(duì)葉片的多組傾角情況下的機(jī)械性能進(jìn)行了綜合比較，確定了一個(gè)在低平均流速下使得葉輪 最易轉(zhuǎn)動(dòng)的傾角范圍；隨后進(jìn)行了葉片數(shù)目調(diào)整，并通過(guò)ANSYS分析得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明4 個(gè)葉片為該尺寸造型下最佳的葉片數(shù)目；另外對(duì)傳統(tǒng)的葉輪軸和軸承進(jìn)行了改進(jìn)，在葉輪 直徑較小、葉輪質(zhì)量較輕的前提下，本發(fā)明結(jié)合了鐘表寶石軸承中使用的摩擦系數(shù)最優(yōu)化 的軸承結(jié)構(gòu)，即頂尖軸承結(jié)構(gòu)，將葉輪軸設(shè)計(jì)成60度夾角的圓錐軸，軸承設(shè)計(jì)成90度的圓 錐孔，并通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)證明該機(jī)械結(jié)構(gòu)具備優(yōu)良的機(jī)械性能與高度的靈敏性，兼具較佳的 使用壽命?？偟膩?lái)說(shuō)，該流量計(jì)達(dá)到了公共汽車(chē)油耗測(cè)量的低流速靈敏性和高度的精確性， 是專(zhuān)門(mén)為公共汽車(chē)量身訂做的一款實(shí)用性流量計(jì)。第二，低功耗智能單片機(jī)流量監(jiān)控儀的設(shè)計(jì)進(jìn)行信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)，該設(shè)備只需接插汽車(chē)上配備的蓄電池便可以實(shí)現(xiàn)供電 并長(zhǎng)久穩(wěn)定地進(jìn)行測(cè)量；采用了綠色背光的LCD設(shè)計(jì)，便于駕駛員查看當(dāng)前汽車(chē)的瞬時(shí)油 耗以及某時(shí)間段的總油耗；添加了時(shí)鐘芯片模塊，方便駕駛員日常使用時(shí)對(duì)油耗和時(shí)間同 時(shí)進(jìn)行把握，方便記錄和評(píng)估；優(yōu)化了脈沖信號(hào)的計(jì)算方法，采用了每秒掃描一次脈沖數(shù)目 的方式記檢出器發(fā)出的脈沖信號(hào)，隨后送入單片機(jī)，進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)數(shù)。本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1)本發(fā)明的機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合了科學(xué)的模擬結(jié)果與軸承領(lǐng)域的經(jīng)驗(yàn)心得，兼顧了葉輪 的材料、重量和尺寸，在此基礎(chǔ)上改進(jìn)了葉輪的傾角和葉片數(shù)目以及軸承的構(gòu)造，使得流量 計(jì)適用于公車(chē)運(yùn)行環(huán)境中的汽油流速范圍，在較低流速下仍能夠準(zhǔn)確地顯示汽車(chē)的汽油流 量，并且不受其行駛過(guò)程中的各種環(huán)境影響，同時(shí)在流速突然提升時(shí)它也能進(jìn)行迅速的反 應(yīng)和準(zhǔn)確的計(jì)算，在低流速與突然的高流速下的測(cè)量效果出眾，正是這兩點(diǎn)，使它成為了最 適合汽車(chē)使用的渦輪流量計(jì)。2)實(shí)現(xiàn)了以往的車(chē)用流量計(jì)所不能實(shí)現(xiàn)的功能，主要體現(xiàn)在能顯示出當(dāng)前汽車(chē)的 瞬時(shí)流速，無(wú)論汽車(chē)何時(shí)加速，減速，剎車(chē)或者踩油門(mén)，該流量計(jì)能準(zhǔn)確顯示出當(dāng)前汽車(chē)每 秒的耗油，即油速是多少；同時(shí)還儲(chǔ)存分段流量值與總累積流量值。3)將萬(wàn)年歷系統(tǒng)集成在同一個(gè)液晶屏幕上顯示，方便司機(jī)查看當(dāng)前時(shí)間。4)具備優(yōu)良的穩(wěn)定性，在時(shí)間顯示上，其在長(zhǎng)年的使用過(guò)程中不會(huì)因?yàn)榈綦姸a(chǎn) 生較大的時(shí)間誤差；在流量顯示上，其總累積流量值不會(huì)因?yàn)榈綦姸鴼w零，而是不斷進(jìn)行存 儲(chǔ)和刷新。5)電路系統(tǒng)具備低功耗的特點(diǎn)，使用壽命長(zhǎng)，不易老化；6)儀表系數(shù)可以手動(dòng)調(diào)整，以應(yīng)對(duì)過(guò)久使用后系統(tǒng)產(chǎn)生的微小誤差。


圖1 車(chē)用渦輪流量計(jì)機(jī)電一體化結(jié)構(gòu)2:單片機(jī)控制模塊；圖3 基于霍爾原理的信號(hào)檢出器模塊；圖4 電源模塊；圖5 按鍵輸入模塊；圖6 液晶顯示模塊；
圖7:時(shí)鐘芯片模塊；圖8 流量計(jì)機(jī)械部分的ANSYS網(wǎng)格劃分圖；圖9 流量計(jì)機(jī)械部分的ANSYS仿真效果圖；圖10 影響葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)性能的最關(guān)鍵角度α ；圖11 葉片角度的ANSYS分析對(duì)比結(jié)果；圖12 流量計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)；圖13 霍爾檢出器的結(jié)構(gòu)。 圖14本發(fā)明的電路連接圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明應(yīng)用于公車(chē)油耗計(jì)量領(lǐng)域，安裝在汽車(chē)油管上，實(shí)現(xiàn)油耗的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確計(jì)量。如圖1所示，本流量計(jì)由傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)2和電路結(jié)構(gòu)兩部分組成。如圖10、12所示，機(jī)械結(jié)構(gòu)包括外殼13、設(shè)置在外殼13內(nèi)部的兩個(gè)導(dǎo)向體11、以 及設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向體11之間的葉輪14。2個(gè)導(dǎo)向體11軸向安裝在殼體13的內(nèi)部，左右各 一。導(dǎo)向體11的外端面固定有4個(gè)翅片支撐在殼體13的內(nèi)部管道中。2個(gè)導(dǎo)向體中間安 裝一個(gè)葉輪14，導(dǎo)向體11和葉輪14之間通過(guò)90度圓錐孔與60度圓錐軸相配合的方式安 裝，為了進(jìn)行固定，2個(gè)導(dǎo)向體處于外側(cè)的端面處需各安裝1個(gè)壓緊圈10，它具有外螺紋，殼 體內(nèi)壁具有內(nèi)螺紋，使用螺紋連接的方式進(jìn)行軸向自由度約束，使葉輪能靈活旋轉(zhuǎn)，不可過(guò) 緊或過(guò)松。前連接管9則安裝在殼體13的進(jìn)油側(cè)，采用螺紋連接擰緊于殼體上，同時(shí)后連 接管12安裝在殼體14的出油側(cè)，亦采用螺紋連接擰緊于殼體上。霍爾檢出器3安裝在殼 體13的一處圓孔中，該孔底端正對(duì)葉輪14，與其相距0. 3 0. 6mm。霍爾檢出器3將油流 動(dòng)時(shí)的機(jī)械旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化為電脈沖信號(hào)，送入電路進(jìn)行處理。如圖8所示，該圖為流量計(jì)的內(nèi)部管道進(jìn)行ANSYS分析的網(wǎng)格劃分圖，本發(fā)明首先 利用了 ANSYS分析對(duì)多組葉片傾角進(jìn)行了轉(zhuǎn)動(dòng)性難易度的對(duì)比，傾角α的定義如圖10所 示，為葉片的切向平面與葉輪輪轂的端面形成的夾角；流體的流動(dòng)模擬如圖9所示；由圖10 的ANSYS分析結(jié)果可以看出，在葉片與葉輪端面的夾角α為20-25度的情況下該直徑的葉 輪最易轉(zhuǎn)動(dòng)；在傾角的這個(gè)范圍內(nèi)，本發(fā)明還研究了葉片數(shù)目對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)性造成的影響，經(jīng)過(guò)類(lèi) 似的轉(zhuǎn)動(dòng)特性分析，最佳葉片數(shù)目為四個(gè)葉片。下面對(duì)本實(shí)施例中機(jī)械結(jié)構(gòu)的各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明前連接管9，材料為硬質(zhì)合金，長(zhǎng)度為后連接管的3倍。壓緊圈10，材料為硬質(zhì)合金，左右各一個(gè)，其外螺紋與殼體內(nèi)螺紋相配合并旋緊， 對(duì)左右導(dǎo)向體構(gòu)成壓力，起固定作用。導(dǎo)向體11，材料為PTFE，左右各一個(gè)，背向葉輪的一端帶有3個(gè)Imm厚的片狀支 架支撐在管道內(nèi)壁，面向葉輪的一端具有夾角為90度的圓錐孔，起固定葉輪以及導(dǎo)流的作用。后連接管12，材料為硬質(zhì)合金。葉輪14，其傾角α為20_25度，葉輪軸為60度圓錐軸，與導(dǎo)向體相配合。材料為 塑料與磁粉合成物，高耐磨，光滑度高，并且質(zhì)量較輕，具備一定的磁性，該材料使得流量計(jì)在汽油流速緩慢的情況下具備良好的轉(zhuǎn)動(dòng)性，同時(shí)磁性材料發(fā)出的磁力線能夠正確地被霍爾檢出器所感應(yīng)，并輸出脈沖。如圖1所示，電路結(jié)構(gòu)由霍爾檢出器3、單片機(jī)控制器4、汽車(chē)電源5、液晶顯示6、 S1-S7按鍵7、時(shí)鐘芯片萬(wàn)年歷8八大部分組成。汽車(chē)電源5為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，與單片 機(jī)控制器4、液晶顯示6、時(shí)鐘芯片萬(wàn)年歷8、霍爾檢出器3的高電平管腳相連接?；魻枡z出 器3與單片機(jī)控制器4相連，Sl至S7按鍵7與單片機(jī)的7個(gè)管腳相連，液晶顯示6的11個(gè) 管腳與單片機(jī)控制器4的11個(gè)管腳相連。本流量計(jì)的連接情況按鍵S1-S7與單片機(jī)控制器4相連接，單片機(jī)控制器4與時(shí) 鐘芯片萬(wàn)年歷8相連接。傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)2上的霍爾檢出器3與單片機(jī)控制器4相連接以 傳輸電平信號(hào)。單片機(jī)控制器4還與液晶顯示器相連接，執(zhí)行傳輸數(shù)據(jù)的功能。流量計(jì)的基本原理為開(kāi)車(chē)后汽油的流動(dòng)1轉(zhuǎn)化為傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)2中葉輪的轉(zhuǎn) 動(dòng)，葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)可由霍爾檢出器3識(shí)別為高低電平信號(hào)傳入到電路中，由單片機(jī)控制器4來(lái) 累計(jì)脈沖數(shù)目，結(jié)合按鍵7所輸入的儀表系數(shù)k的值，計(jì)算出流量值為Q (單位L/s) = f (單 位fVk (單位1/L)，并由S4按鍵循環(huán)顯示幾種流量值在液晶顯示6上；另外按鍵7中的 存儲(chǔ)按鍵S7按下時(shí)能將累積流量值送入單片機(jī)控制器4中儲(chǔ)存；時(shí)間的準(zhǔn)確計(jì)量由時(shí)鐘芯 片萬(wàn)年歷8來(lái)完成，同樣由按鍵7控制，不僅能顯示當(dāng)前時(shí)間，而且具備可調(diào)性和掉電保護(hù) 性；汽車(chē)電源8實(shí)現(xiàn)電路的供電功能。瞬時(shí)流速、分段流量和總流量值分別按下式計(jì)算所述的瞬時(shí)流速由公式Q = f/k計(jì)算，其中Q為瞬時(shí)流速，Q的單位為L(zhǎng)/s，k為 儀表系數(shù)，k的取值范圍在49751 51813之間，單位為L(zhǎng)—1 ；f為霍爾檢出器的信號(hào)頻率，單 位為Hz，即每秒鐘霍爾檢出器傳送給控制器的脈沖的個(gè)數(shù)；所述的分段流量的計(jì)算方法為=Q1 = n/k，其中Q1為分段流量，單位為L(zhǎng)，k為儀表 系數(shù)，與計(jì)算瞬時(shí)流速時(shí)k的取值相同；η為一個(gè)時(shí)間段內(nèi)霍爾檢出器傳送給控制器的脈沖 個(gè)數(shù)之和，分段流量描述的是每個(gè)司機(jī)上班時(shí)間段內(nèi)，所計(jì)燃油消耗的一個(gè)累計(jì)值，并不斷 更新，在下個(gè)司機(jī)輪班之前通過(guò)按鍵模塊進(jìn)行清零；所述的總流量值的計(jì)算方法為Q2 = N/k，其中Q2為分段流量不斷累加的總和， 單位為L(zhǎng)，k為儀表系數(shù)，與計(jì)算瞬時(shí)流速時(shí)k的取值相同；N為各分段流量計(jì)算中η的累加 值，例如總共輪班5次，各自的分段流量為n1、n2、n3、n4、n5，則系統(tǒng)累加N = ni+n2+n3+n4+n5, 在單片機(jī)中完成除法，得到總流量值Q2，其意義為常年累計(jì)每個(gè)司機(jī)換班之后使用汽油的 油耗值，掉電保護(hù)，基本不用清零。Sl至S7按鍵的職能簡(jiǎn)述S1按下時(shí)，單片機(jī)控制器4響應(yīng)，進(jìn)入調(diào)節(jié)儀表系數(shù)k 的功能，并傳命令與液晶顯示6，屏幕上第一行顯示5位整數(shù)位、1個(gè)小數(shù)點(diǎn)、2個(gè)小數(shù)點(diǎn)后 位，光標(biāo)于最左位處閃爍，S2與S3按鍵處于待命狀態(tài)，此刻一旦系統(tǒng)檢測(cè)到S2被按下，則 液晶屏上光標(biāo)右跳一格，S3被按下則在當(dāng)前光標(biāo)處的數(shù)字增加1，到9之后加1則返回0， 如此循環(huán)，此時(shí)單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)的K值無(wú)變化，需點(diǎn)下S6進(jìn)行顯示復(fù)位，才將輸入的k值送 入單片機(jī)進(jìn)行儲(chǔ)存，這時(shí)顯示器上顯示分段流量值；S4點(diǎn)下時(shí)，單片機(jī)控制器4響應(yīng)，并傳 信號(hào)給液晶顯示6，按順序循環(huán)顯示分段流量、瞬時(shí)流速、總流量值；瞬時(shí)流速的計(jì)算是通 過(guò)單片機(jī)程序每50ms掃描霍爾檢出器3處是否有高電平，即葉片是否靠近霍爾檢出器3，如 果有內(nèi)部計(jì)數(shù)器自加1，每秒統(tǒng)計(jì)一次，累計(jì)數(shù)目計(jì)入變量f，由公式<formula>formula see original document page 7</formula>,結(jié)合前邊所確定的k值進(jìn)行流速的計(jì)算；S5點(diǎn)下時(shí)進(jìn)入時(shí)間調(diào)節(jié)功能，此時(shí)時(shí)鐘芯片萬(wàn)年歷8變?yōu)榭删?輯狀態(tài)，通過(guò)S2和S3進(jìn)行和k類(lèi)似的調(diào)節(jié)，按下S6后時(shí)鐘芯片萬(wàn)年歷8的時(shí)間則調(diào)節(jié)完 畢并運(yùn)行，在液晶顯示6上第二行開(kāi)始顯示調(diào)節(jié)后的時(shí)間。S7的作用是存儲(chǔ)總流量值，每 次停車(chē)休息后點(diǎn)該鍵將分段流量存入其中，可不斷累積，長(zhǎng)按S7至LED閃爍一次，則存儲(chǔ)成 功，單片機(jī)控制器4的內(nèi)部總流量數(shù)據(jù)更新，并且能長(zhǎng)久保持。渦輪傳感器的工作原理是當(dāng)流體沿著管道的軸線方向流動(dòng)，并沖擊渦輪葉片時(shí)， 便有管道內(nèi)流體的力作用在葉片上，推動(dòng)渦輪旋轉(zhuǎn)。在渦輪旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，葉片周期性地靠近 霍爾檢出器，根據(jù)霍爾原理，即把載有電流的半導(dǎo)體放在垂直于電流方向的磁場(chǎng)中時(shí)，半導(dǎo) 體會(huì)產(chǎn)生橫向磁場(chǎng)電現(xiàn)象，即在垂直于磁場(chǎng)和電流的方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，霍爾檢出器會(huì)周期 性地檢測(cè)到該葉輪產(chǎn)生的磁場(chǎng)，并不斷輸出高低電平信號(hào)，此脈動(dòng)信號(hào)的頻率與被測(cè)流體 的流量成正比，k是渦輪流量計(jì)的重要特性參數(shù)，它是代表每立方米流量有幾個(gè)脈沖，或者 每升流 量有幾個(gè)脈沖。不同的儀表有不同的k，并隨儀表長(zhǎng)期使用的磨損情況而變化。盡 管渦輪流量計(jì)的設(shè)計(jì)尺寸相同，但實(shí)際加工出來(lái)的渦輪幾何參數(shù)卻不會(huì)完全一樣，因而每 臺(tái)渦輪流量計(jì)的儀表常數(shù)k也不完全一樣，它通常是制造廠在常溫下用潔凈的水標(biāo)定出來(lái) 的。渦輪流量計(jì)輸出的脈沖信號(hào)，送入顯示儀表，就可以實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。如圖13所示，霍爾檢出器18安裝在殼體上，其端面與內(nèi)部檢測(cè)管道距離為 0. 3-0. 6mm,它共有3跟接線，分別為(15)高電平線，接5v電源即圖3中headerf的1號(hào)線；(16)低電平線，接地線即圖3中headerf的3號(hào)線；(17)信號(hào)線，接電路上的信號(hào)輸入線即圖3中headerf的2號(hào)線。如圖2所示，本實(shí)施例中的控制器使用的是STC89S54RD+單片機(jī)，共有40個(gè)管腳； 它是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，指令代碼完全兼容8051 單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇，最新的D版本內(nèi)部集成MAX810 專(zhuān)用復(fù)位電路。其內(nèi)部自帶EEPROM存儲(chǔ)，可滿(mǎn)足總油耗的存儲(chǔ)要求。如圖3所示，為電路中霍爾檢出器的脈沖輸入模塊，檢出器共3個(gè)管腳，其中一個(gè) 管腳接7805調(diào)壓所得的5v電壓，一個(gè)接地，另外一個(gè)為信號(hào)線，傳輸感應(yīng)所得的方波，送交 單片機(jī)進(jìn)行處理。圖4為電源模塊，該模塊主要使用7805芯片將12V直流電調(diào)壓為5V直流電，輸出 到電路各個(gè)元件處；12V電源由汽車(chē)蓄電池所供應(yīng)。圖5為按鍵模塊，該模塊由Sl到S7七個(gè)按鈕組成。具備調(diào)節(jié)儀表系數(shù)，調(diào)節(jié)時(shí)間 日期，切換顯示數(shù)據(jù)三大功能。圖6為液晶顯示模塊，該液晶的具體型號(hào)為SMC1602B點(diǎn)陣式LCM，顯示容量為 16*2個(gè)字符，芯片工作電壓為4. 5至5. 5V。該液晶顯示器自帶綠色背光，可供駕駛員晝夜 駕駛時(shí)查看汽油的使用數(shù)據(jù)，在液晶顯示器上，第一行的16個(gè)字符位置顯示3個(gè)流量值， 首先是實(shí)時(shí)的瞬時(shí)流速，使得駕駛員能結(jié)合自己的駕駛習(xí)慣，調(diào)節(jié)燃油使用效率；其次是分 段流量，亦即每個(gè)駕駛時(shí)間段內(nèi)，顯示出汽車(chē)用的油耗值，以便駕駛員對(duì)自己的油耗進(jìn)行記 錄；最后是總油耗，該數(shù)據(jù)是累計(jì)所有的分段流量值，不斷刷新EEPROM中的數(shù)據(jù)，并在斷電 時(shí)不消失，以供公汽公司總結(jié)每個(gè)季度或年度每輛汽車(chē)所使用的油量總值。圖7的時(shí)鐘芯片采用的是美國(guó)DALLAS公司的新型時(shí)鐘日歷芯片DS12c887，它利用其硬件電路中的世紀(jì)寄存器解決了“千年”問(wèn)題；自帶鋰電池，外部掉電時(shí)，其內(nèi)部的時(shí)間 信息還能保存10年之久，時(shí)間的精確性相對(duì)較高，在公車(chē)上的使用過(guò)程中，只要調(diào)節(jié)好當(dāng) 前的時(shí)間日期值，此后一直顯示準(zhǔn)確，無(wú)論流量計(jì)是否掉電，開(kāi)機(jī)后依舊會(huì)正常顯示當(dāng)前時(shí) 間。 圖14為總的電路連接圖。本實(shí)施例的使用方法第一步使用較為純凈的自來(lái)水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)來(lái)調(diào)節(jié)儀表系數(shù)k的值到流量顯示較 為準(zhǔn)確為止使用開(kāi)關(guān)Sl切換到儀表系數(shù)的調(diào)節(jié)界面，開(kāi)關(guān)S2進(jìn)行循環(huán)移位，開(kāi)關(guān)S3進(jìn)行 每位0-9的數(shù)字調(diào)節(jié)；調(diào)節(jié)好k以后，按下開(kāi)關(guān)S6進(jìn)行顯示復(fù)位，此時(shí)儀表應(yīng)該能精確地顯 示分段流量值，其精度在1 %以?xún)?nèi)。第二步將前后連接管通過(guò)螺紋連接在公汽油管中。第三步上電將流量計(jì)機(jī)械部分與電路部分連接好后，接入12V的汽車(chē)電源，并 按下開(kāi)關(guān)按鈕。這時(shí)候可以看到LCD的綠色背光已開(kāi)，共2行數(shù)據(jù)，第一行為分段流量值， 第二行為實(shí)時(shí)變化的當(dāng)前年/月/日的時(shí)間值。第四步駕駛員進(jìn)行正常駕駛，觀測(cè)流量顯示儀的數(shù)據(jù)。第五步各種功能的切換按下S4切換到屏幕顯示“S =XXXX"即是顯示分段流量， 該數(shù)值可由駕駛員完成一段駕駛之后停車(chē)進(jìn)行記錄；再次按下S4切換到屏幕顯示當(dāng)前流 速值，該流速可由駕駛員在駕駛過(guò)程中進(jìn)行實(shí)時(shí)參考；再次按下S4鍵切換到總流量的顯 示，每次計(jì)完分段流量之后，長(zhǎng)按按鍵S7可以進(jìn)行存儲(chǔ)，此時(shí)可以看到LED燈閃爍一下，表 明存儲(chǔ)過(guò)程已完成。S5按鍵按鍵則用來(lái)調(diào)節(jié)當(dāng)前時(shí)間，其操作方法同理于儀表系數(shù)k的修 正，使用S2、S3進(jìn)行調(diào)節(jié)，使用S6進(jìn)行顯示復(fù)位。本發(fā)明已經(jīng)經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，各項(xiàng)參數(shù)均符合設(shè)計(jì)要求，抗干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)力 強(qiáng)，精確度、靈敏度較高，機(jī)械部分和電路部分均達(dá)到了可靠、穩(wěn)定、精確的使用要求，可作 為公共汽車(chē)專(zhuān)用的電子流量顯示儀表。
權(quán)利要求
高靈敏度車(chē)用渦輪流量計(jì)，其特征在于包括機(jī)械部分和電路部分，所述的機(jī)械部分包括外殼(13)、設(shè)置在外殼(13)內(nèi)部的兩個(gè)導(dǎo)向體(11)、以及設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向體(11)之間的葉輪(14)，所述外殼(13)的兩端分別設(shè)置有用于與管道相連接的外螺紋，兩個(gè)導(dǎo)向體(11)的外端面固定在外殼的內(nèi)壁，兩個(gè)導(dǎo)向輪的內(nèi)端面上設(shè)置有夾角為90的圓錐孔，葉輪的兩個(gè)軸端加工成夾角為60度的圓錐軸，葉輪的60度圓錐軸與導(dǎo)向輪的90的圓錐孔配合安裝，在與葉輪(14)位置對(duì)應(yīng)的殼體(13)的外壁上開(kāi)有一槽，霍爾檢出器(3)安裝在該槽內(nèi)，霍爾檢出器(3)與葉輪(14)的邊緣之間的距離為0.3～0.6mm；所述的電路部分包括控制器、液晶顯示模塊、按鍵模塊、汽車(chē)電源、霍爾檢出器和時(shí)鐘芯片，其中霍爾檢出器檢測(cè)葉輪(14)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)，并將其傳送給控制器，控制器根據(jù)該脈沖信號(hào)計(jì)算出瞬時(shí)流速、分段流量和總流量值；所述的瞬時(shí)流速由公式Q＝f/k計(jì)算，其中Q為瞬時(shí)流速，Q的單位為L(zhǎng)/s，k為儀表系數(shù)，k的取值范圍在49751～51813之間，單位為L(zhǎng)-1；f為霍爾檢出器的信號(hào)頻率，單位為Hz，即每秒鐘霍爾檢出器傳送給控制器的脈沖的個(gè)數(shù)；所述的分段流量的計(jì)算方法為Q1＝n/k，其中Q1為分段流量，單位為L(zhǎng)，k為儀表系數(shù)，與計(jì)算瞬時(shí)流速時(shí)k的取值相同；n為一個(gè)時(shí)間段內(nèi)霍爾檢出器傳送給控制器的脈沖個(gè)數(shù)之和，分段流量描述的是每個(gè)司機(jī)上班時(shí)間段內(nèi)，所計(jì)燃油消耗的一個(gè)累計(jì)值，并不斷更新，在下個(gè)司機(jī)輪班之前通過(guò)按鍵模塊進(jìn)行清零；所述的總流量值的計(jì)算方法為Q2＝N/k，其中Q2為分段流量不斷累加的總和，單位為L(zhǎng)，k為儀表系數(shù)，與計(jì)算瞬時(shí)流速時(shí)k的取值相同；N為各分段流量計(jì)算中n的累加值，其意義為常年累計(jì)每個(gè)司機(jī)換班之后使用汽油的油耗值，掉電保護(hù)，基本不用清零；按鍵模塊與控制器相連，在按鍵模塊的控制下，控制器能夠分別將分段流量、瞬時(shí)流速和總流量值送至液晶顯示模塊顯示；時(shí)鐘芯片與控制器相連，為控制器提供時(shí)間信息；汽車(chē)電源為以上各電路部分提供電源。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度車(chē)用渦輪流量計(jì)，其特征在于所述的葉輪(14)的 個(gè)數(shù)為4個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度車(chē)用渦輪流量計(jì)，其特征在于所述的葉輪由葉輪 輪轂和沿葉輪輪轂圓周均勻分布的葉片組成，葉片的切向平面與葉輪輪轂的端面形成的夾 角的取值范圍為20 25度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度車(chē)用渦輪流量計(jì)，其特征在于所述的機(jī)械部分中 的兩個(gè)導(dǎo)向體(11)的外端面與殼體(13)之間的連接關(guān)系為兩個(gè)導(dǎo)向體的外端面均固定 有一壓緊圈(10)，壓緊圈(10)具有外螺紋，外殼(13)內(nèi)壁具有內(nèi)螺紋，壓緊圈(10)和外殼 (13)之間構(gòu)成螺紋連接。
全文摘要
本發(fā)明是一種高靈敏度車(chē)用渦輪流量計(jì)，用于計(jì)算公共汽車(chē)的累計(jì)油耗和瞬時(shí)油耗。本發(fā)明包括渦輪機(jī)械部分和電路部分。機(jī)械部分包括外殼、設(shè)置在外殼內(nèi)部的兩個(gè)導(dǎo)向體和設(shè)置在兩個(gè)導(dǎo)向體之間的葉輪。兩個(gè)導(dǎo)向體的外端面固定在外殼內(nèi)，內(nèi)端面上設(shè)置有90度的圓錐孔，導(dǎo)向輪的90度圓錐孔與葉輪的60度圓錐軸配合安裝，霍爾檢出器安裝在殼體的外壁上。電路部分包括控制器、按鍵模塊、汽車(chē)電源和時(shí)鐘芯片?；魻枡z出器檢測(cè)葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的脈沖信號(hào)，并將其傳送給控制器，控制器根據(jù)該脈沖信號(hào)計(jì)算出瞬時(shí)流速、分段流量和總流量值，以便駕駛員更好的把握汽車(chē)的油耗，盡量減少不必要的高油耗操作。
文檔編號(hào)G01F9/00GK101819050SQ20091025024
公開(kāi)日2010年9月1日 申請(qǐng)日期2009年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月11日
發(fā)明者劉志峰, 張倬, 楊文通, 王哲, 王威, 王建華 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)