涡轮流量计测量中出现的问题

介绍

　　流量是现代工业测量过程中的重要参数。涡轮流量传感器涡轮转子轻，惯量小，测量精度高，测量范围宽，重复性和动态特性好[1]。因此，各国的发动机测试站使用涡轮流量传感器来测量发动机燃料流量[2]。涡轮流量传感器是一种速度型流量计。当被测流体流过传感器时，在流体的作用下，叶轮被迫旋转，转速与管道内流体的流速成正比。在叶轮旋转之后，磁电转换器周期性地改变。磁阻值，检测线圈中的磁通量周期性变化，产生周期性的感应电位，即电脉冲信号[3]。流量传感器输出的脉冲信号的频率表示流量，流量和信号频率处于一定的间隔。近似线性关系[4]。无人机的燃油消耗量是一个重要参数，测量具有重要意义，有利于精确的飞行计划，有效提高燃油利用率[5]。在检查无人机燃料流量期间，发动机以低速驱动并且燃料流量测量不准确。本文主要对该故障进行仿真分析和测试验证。

1、测量原理

1.1、工作原理由于叶轮叶片和流动方向有一定的影响角度，当燃料撞击涡轮转子时，流体的冲击产生克服流量传感器支撑轴承和转子之间的机械摩擦力矩以及由于流体的粘性作用引起的流体阻力的驱动扭矩，从而导致转子开始移动[1]。传感器结构的原理如图1所示。

燃油涡轮流量传感器结构图

　　叶轮上的磁铁产生磁场，固定在传感器内部的线圈组件处于磁场中。如图所示。如图2所示，当燃料通过传感器腔体时，燃料的流量驱动叶轮旋转，带动叶轮上的磁体旋转。由部件感测到的磁通量也周期性地变化。

涡轮流量计叶轮 - 线圈磁场示意图

根据电磁感应原理，线圈的磁通量发生变化，相应地产生感应电位：

　　N是线圈的匝数，ΔΦ是磁通量的变化，ΔT是变化时间。因此，当燃料流经涡轮流量传感器时，线圈会产生周期性变化的电压，即叶轮旋转一次，并且会引起正弦信号。当叶轮连续旋转时，会周期性地产生正弦信号。在将信号处理转换为脉冲信号之后，涡轮流量传感器稳定运行的脉冲频率与通过流量传感器的流量之间的理论关系如下[6]：

Q是通过涡轮流量传感器的体积流量（L / s），f是脉冲信号的频率（Hz），k是仪表系数（1 / L）。

　　信号处理单元主要实现交流信号处理和数据通信。首先，交流信号被转换成脉冲信号。其次，单片机控制器通过光电耦合器电隔离并计算脉冲频率，根据校准后的流量和频率关系计算出相应的燃油流量，最后将数据写入串口通讯模块，并通过电气发送给车载电脑接口。

1.2、信号转换和处理

　　当涡轮流量传感器中的叶轮旋转时，线圈周期会产生几十毫安至几百毫安的小型交流信号。第一级运算放大器放大并限制小AC信号，消除负幅度。的信号。在第二级比较器之后，比较电压为零。当输入电压大于零时，输出为高电平，否则输出为低电平，即将交流信号转换为脉冲信号。脉冲通过光电耦合器进行电气隔离，电信号在一个方向上传输。光耦合器信号输出的开关频率由单片机收集，即原始信号的频率值，然后通过预先校准的频率和流量关系，将原始信号对应于可以获得计算。燃料流量，信号转换过程如图3所示。

涡轮流量计信号转换过程

　　校准涡轮流量传感器的校准测试台中的传感器，并输入相应的燃料流量通过主流量点的涡轮传感器（100L / h，150L / h，300L / h，600L / h），并使用频率采集设备测量脉冲频率。输入流量与采集的频率相关，得到表1中的校准结果。

2、故障现象设备由地面电源供电后，发动机低速行驶，燃油流量在地面控制人机界面处以500L / h至1500L / h的速度跳动站。传感器的实际测量范围已被超出。时间理论值：

涡轮流量传感器频率

应该是80L / h〜100L / h。通过分析飞行记录装置中的数据，获得图4中的曲线。

涡轮流量计飞行记录仪燃料流量曲线

　　从曲线可以看出，当发动机未启动时，燃油流量为0L / h，故障不发生;当发动机启动到最低转速时，燃油流量异常，以500L / h随机跳跃至1500L / h;以最高速度燃烧油流量为260L / h，故障消失。

　　通过分析燃油涡轮流量传感器的工作原理和现场环境，可能会出现上述故障，因为外部磁场耦合到涡轮流量传感器线圈中，使得原始小的交流信号混入 干扰信号，信噪比低，干扰信号起主导作用。 信号处理单元计算通过处理与干扰混合的信号而获得的频率，并且脉冲频率和燃料流之间的线性关系意味着将发生大的燃料流量。

3、建模，仿真和验证

3.1、建模和仿真

　　为了进一步分析故障原因，根据涡轮流量传感器的信号转换过程建立逻辑模型，在不同的频率段加入50 Hz的外部干扰，观察脉冲的变化频率。

　　将表1中的数据拟合为线性函数，得出燃料涡轮流量传感器产生的脉冲频率与燃料流量之间的以下关系：

燃油流量产生的微小交流信号是：

假设外部电磁干扰作用于涡轮流量传感器产生的干扰为：

涡轮传感器线圈输出信号为：

裁剪后的信号是：

转换为脉冲信号： Max是脉冲幅度。

　　燃油涡轮流量传感器的逻辑模型基于simulink建立，如图5所示。由于S函数可以描述具有连续或离散状态方程的动态系统模块，因此涡轮流量传感器线圈的磁电转换，波形限制，并且基于M文件模板S函数来写入AC到脉冲模块以实现[7-8]。

涡轮流量传感器逻辑模型

　　分别设定理论燃油流量为下限100L / h和表1中的上限。600L / h，涡轮流量传感器的信号输出和脉冲输出如图6所示。

涡轮流量计模拟结果

　　仿真结果表明，在低流量时，涡轮流量传感器的原始小交流信号与过零点进行比较，脉冲频率较高，幅度不稳定。在高流量下，脉冲信号频率接近真实信号频率，幅度稳定。

　　仿真结果与故障现象一致，初步推断涡轮流量传感器失效的原因是外部磁场干扰。

3.2、验证测试为了确定故障原因，在燃油测试台上进行了验证测试。供应给涡轮流量传感器的真实燃料流量设定为90L / h。外部线圈由继电器打开/关闭，频率为50 Hz。为了干扰，涡轮流量传感器线圈输出信号和脉冲输出信号分别用两个示波器检测，如图3所示。 7。

　　测试结果表明，原始的微交流信号和脉冲信号具有良好的电气特性，脉冲幅度最高稳定，光耦合器可以正常开启/关闭，单片机计算脉冲信号的频率值。加入外部干扰后，原始信号看起来明显失真，幅度为22mV左右。转换脉冲信号的最高幅度不稳定（1.7V〜1.0V），最小幅度也有突变，导致光耦合器的开关异常，最终导致MCU计算的频率为比图7的线圈输出波形更逼真。而且脉冲转换波形的频率较高，频率在500L / h和1,500L / h之间。

涡轮流量计线圈输出波形和脉冲转换波形

　　在进一步分析之后，由于叶轮的机械特性，在高流量区段的操作期间，叶轮转速和燃料流量彼此成线性比例。当低流量区段运行时，叶轮转速和燃料流量变为非线性，并且流量较小。速度下降得越快。当燃料供应管线的燃料流量处于低流量区段时，传感器叶轮的转速将下降得非常低，并且线圈的感应电势E将降低，即，信号的电压将会非线性地加速和减小。这表示传感器已经运行。在非线性流动部分中，由于叶轮转速太低，所要检测的信号非常弱。在存在电源噪声和干扰的情况下，信号处理单元不能区分真实信号和干扰信号，导致不准确的燃料测量。

4、结论

　　分析燃料涡轮流量传感器的低流量部分中的不准确流动故障。建立了原理和信号转换过程，建立了其逻辑模型。 最后，进行了故障模拟和验证测试。 最后，故障的原因被确定为外部磁场干扰。 故障排除时可以考虑以下两种措施：

1）在涡轮流量传感器中设计电磁屏蔽结构，防止外部电磁干扰耦合到线圈中;

2）信号处理单元中的滞环比较电路可以滤除外部干扰引起的电压波动。