基于超聲波技術(shù)的汽車油耗測(cè)試方法研究

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)外汽車保有量不斷增長(zhǎng)，為促進(jìn)汽車節(jié)能減排，控制汽車油耗至關(guān)重要。目前汽車油耗直接測(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)智能型汽車油耗測(cè)試儀器，更好地滿足交通運(yùn)輸行業(yè)對(duì)汽車油耗測(cè)試的要求，推動(dòng)新技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車。

1 基于超聲波技術(shù)的汽車油耗測(cè)試原理

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。

2 基于超聲波技術(shù)的汽車油耗檢測(cè)方法

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。

2.1 超聲波時(shí)差法測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)燃油流量

燃油流量(Q)計(jì)算

(1)

(2)

(3)

(4)

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。

2.2 超聲波多普勒法測(cè)試燃油流量

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

(5)

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

(6)

超聲波發(fā)送器與接收器之間的多譜勒頻移(Δf)為

(7)

由于Vc?Vcosβ，則

(8)

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。

2.3 超聲波相差法測(cè)試燃油流量

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

(15)

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。

2.4 超聲波頻差法測(cè)試燃油流量

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。

2.5 超聲波波束偏移法測(cè)試燃油流量

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

(31)

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。可采用折射變換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。

(32)

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。

3 結(jié)束語(yǔ)

采用超聲波技術(shù)進(jìn)行汽車油耗測(cè)試，能解決傳統(tǒng)汽車油耗測(cè)試存在的諸多問(wèn)題。基于超聲波技術(shù)的汽車油耗測(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)需求的智能型汽車油耗測(cè)試儀器具有重要意義。