CN113932889A - 基于涡轮流量计的智能燃油计量校正装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空燃油计量领域，尤其涉及基于容积式涡轮流量计的智能燃油计量校正装置。本发明提出一种基于温度、压力校正的燃油质量流量计量校正装置，不仅能够对密度进行温度、压力下的校正，对体积流量进行温度、压力下的校正得到校正补偿后的燃油质量流量，而且通过设置燃油计量活门，以判断补偿后的燃油质量流量的精确度是否满足测量精度要求。

Description

基于涡轮流量计的智能燃油计量校正装置

技术领域

本发明属于航空燃油计量领域，尤其涉及基于容积式涡轮流量计的智能燃油计量校正装置。

背景技术

发动机燃油与控制系统在装机前应进行大量的地面试验，从半物理模拟试验到模拟飞行试验。在半物理试验中，动态闭环试验要求连续测量计量燃油流量，涡轮流量计因其可测范围宽、响应快、精度相对较高，作为试验中的优选传感器，但是涡轮流量计易受介质的温度、压力、粘度等因素的影响，并且涡轮流量计是容积式流量计而发动机控制系统以质量流量作为燃油流量的控制指标。当燃油密度可知时，由燃油体积流量便可得到质量流量。由于燃油的密度、粘度等属性受温度、压力宽范围的影响会发生较大的变化，这给燃油质量流量的计量带来了困难。

发明内容

发明目的：提出一种基于温度、压力校正的燃油质量流量计量校正装置，不仅能够对密度进行温度、压力下的校正，对体积流量进行温度、压力下的校正得到校正补偿后的燃油质量流量，而且通过设置燃油计量活门，以判断补偿后的燃油质量流量的精确度是否满足测量精度要求。

技术方案：提供一种基于涡轮流量计的智能燃油计量校正装置，所述装置包括：信号采集电路和微电子处理器；

信号采集电路，用于分别采集燃油流量、温度和压力信号及燃油计量活门的开度面积，并将采集的信号通过A/D模块转换后发送给微电子处理器；

微电子处理器，用于首先，根据获取的温度、压力计算得到温度压力校正后的体积流量Q_V1，根据接收的燃油计量活门的开度面积A计算得到流经计量活门的燃油流量Q_V2；然后，根据体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差与设置阈值的差异，判断体积流量Q_V1是否满足要求；当体积流量Q_V1满足要求，将温度压力校正后的密度ρ_op与体积流量Q_V1的乘积作为真实的质量流量输出；当体积流量Q_V1不满足要求，将燃油流量Q_V2作为真实的质量流量输出。

可选地，所述信号采集电路包括温度采集电路、压力采集电路和流量采集电路，对应分别采集燃油温度、压力和流量信号。

可选地，所述信号采集电路还包括计量活门开度面积传感器LVDT，用于采集计量活门的开度面积。

可选地，所述装置还包括输出电路，输出电路包括比较器U1、U2,电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，二极管D1、D2和D3，三极管T；

比较器U1的正端与微电子处理器的D/A输出端连接、负端与输出端连接；比较器U1的输出端与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与电阻R2的一端、比较器U2的负端连接；比较器U2的正端接地、参考电压接5V电源、输出端接三极管T基极；二级管D1接5V电源，并与电容C1并联；三极管T集电极接电阻R4的一端、发射极接电阻R5的一端；电阻R5的另一端接地；电阻R3的一端接5V电源，另一端与电阻R4的另一端连接；电阻R6的一端接地，另一端与二级管D2的阳极连接，二级管D2的阴极接电容C2；二级管D3的阳极与电容C2连接，阴极与电阻R3、电阻R4连接。

可选地，所述微电子处理器，利用获取的温度、压力值分别对燃油参考密度ρ_ref进行校正，得到温度对密度的校正因子VCF、压力对密度的校正因子C_pfd；再根据校正因子VCF、C_pfd和密度p_ref的乘积得到校正后的密度ρ_op。

可选地，温度压力校正后的体积流量Q_V1的计算过程为，

利用燃油粘度随温度的变化关系，得到温度校正后的燃油粘度ν_Top；利用动态粘度系数μ_s和C_pfd，确定粘度的压力校正因子C_pfv；利用燃油粘度ν_Top、压力校正因子C_pfv的乘积得到温度、压力校正后的粘度ν_op；

利用ν_op确定燃油粘度对应的Roshko数Ro_op；根据检定装置得到涡轮流量计特性的Strouhal-Roshko校准曲线，利用校准曲线和Roshko数Ro_op确定Strouhal数St_op；利用确定的Strouhal数St_op确定燃油工作状态下真实的k因子值Kop；根据涡轮的频率f、k因子值Kop得到温度压力校正后的体积流量Q_V1。

可选地，燃油流量Q_V2的计算公式为，

其中，C_d为燃油比热容比；Δp＝p_op-p_cal，P_op表示燃油工作状态的压力，P_cal表示校准过程中流量计中燃油的绝对压力值。

可选地，设置阈值为0-0.01；体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差为|(Q_V1-Q_V2)_/Q_V2|；

当体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差大于设置阈值时，体积流量Q_V1是不满足要求。

本发明的技术效果：通过将温度压力校正后的体积流量与计量活门的燃油流量Q_V2进行阈值比较，可以判断涡轮流量计计量是否满足要求；能够实时判断流量计的计量故障。

附图说明

图1为校正硬件总体结构图；

图2为本发明总体逻辑示意图；

图3为流量信号处理电路；

图4为温度信号处理电路图

图5为质量流量信号输出电路图

图6为Strouhal-Roshko校准曲线

图7为校正及质量流量计算程序。

具体实施方式

实施例1

本实施例，结合图1所示，提供一种基于涡轮流量计的智能燃油计量校正装置，所述装置包括：信号采集电路和微电子处理器；

信号采集电路，用于分别采集燃油流量、温度和压力信号及燃油计量活门的开度面积，并将采集的信号通过A/D模块转换后发送给微电子处理器。

微电子处理器，用于首先，根据获取的温度、压力计算得到温度压力校正后的体积流量Q_V1，根据接收的燃油计量活门的开度面积A计算得到流经计量活门的燃油流量Q_V2；然后，根据体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差与设置阈值的差异，判断体积流量Q_V1是否满足要求；当体积流量Q_V1满足要求，将温度压力校正后的密度ρ_op与体积流量Q_V1的乘积作为真实的质量流量输出；当体积流量Q_V1不满足要求，将燃油流量Q_V2作为真实的质量流量输出。

其中，信号采集电路包括温度采集电路、压力采集电路和流量采集电路，对应分别采集燃油温度、压力和流量信号，具体电路连接，如图3、图4。流量采集电路的传感器为涡轮流量计，然后经过电容滤波、整形电路后发送给微电子处理器的A/D端口。

本实施例，微电子处理器以STM32单片机为控制核心，外围电路包括流量、温度、压力信号采集电路以及输出电路，再搭配晶振、电源等构成。在进行系统初始化之后，如定时器、GPIO串口、ADC、DAC以及IIC、EEPROM等初始化后，进行信号的采集，流量信号由涡轮流量计采集，经过模数转换等处理之后传送到单片机；选用Pt100铂热电阻传感器构成温度采集电路；压力传感器采用麦克高温压力传感器MPM4528。采集温度、压力信号传送到单片机，为之后的温度、压力校正提供依据。

本实施例，结合图3所示，流量信号的采集通过涡轮流量计实现，本发明采用线圈传感器对流量频率进行数据采集，脉冲信号的强弱、干扰都影响涡轮流量计的测量。故在信号送入单片机之前需要对其进行放大、滤波、限幅以及整形等信号处理。其中接头CH1连接涡轮传感器的信号线与地线，Pin端连接单片机的定时器,脉冲信号首先经过电容进行滤波处理；然后采用运算放大器进行放大处理，使脉冲信号高电平被限制在运放的输出电压；最后利用比较器整形处理得到高电平为3.3V、低电平为0V的矩形脉冲信号。开启定时器输入捕获模式，单片机就能捕获每一个脉冲，利用周期法测量频率f。具体地，本实施例，附图3中电阻R16的阻值为2K,R17的阻值为1M,R18的阻值为100K，R19的阻值为30K，R20的阻值为10K，R21的阻值为200K，R22的阻值为0；单位均为欧姆。附图3中还包括电容C3，为10uf，及两个比较器U5、U6。

本实施例，具体温度采集电路结合图4所示,温度信号的采集使用Pt100铂热电阻。温度的变化引起Pt100阻值的变化，这种阻值的变化不能被单片机直接检测到，需要通过惠斯通电桥并结合相应算法，将阻值信号转换成相应的电压信号，再经过放大电路之后传输给单片机。具体地，本实施例，附图4中，电阻R7的阻值为10K，R8的阻值为10K，R9的阻值为68，R10的阻值为100K,R11的阻值为100K，R12的阻值为620K，R13的阻值为100K，R14的阻值为620K，R15的阻值为680K；电容C3为1uf，电容C4为1uf，电容C5为10uf；此外还包括比较器U3和U4。

本实施例，压力信号的采集采用MPM4528压力传感器。MPM4528高温压力传感器适用于高温介质的压力测量，高温可达300℃。压力量程为0到100KPa,输出信号为4到20mA的电流输出或1到5V的电压输出，可直接送入单片机，为之后的温度、压力校正提供依据。

本实施例，单片机选用STM32F103RET6作为控制芯片，其内部包含3个12位的ADC、2个12位DAC，4个通用16位定时器，2个16位PWM高级定时器，此外在片内集成了高速存储器，具有丰富的I/O接口，支持I2C、API、USART多种通讯协议。

本实施例，使用STM32自带片内AD、DA模块；芯片内配置有运行程序，运行程序的整体逻辑，整体逻辑如图2所示。在经过温度、压力校正并求出流体的质量流量之后，输出电路依旧要以0-5V电压信号输出和4-20mA的电流信号输出。由于电流信号抗干扰性较之电压信号更好，通常选择使用电流信号输出。

如图5所示，输出电路包括比较器U1、U2,电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，二极管D1、D2和D3，三极管T；

比较器U1的正端与微电子处理器的D/A输出端连接、负端与输出端连接；比较器U1的输出端与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与电阻R2的一端、比较器U2的负端连接；比较器U2的正端接地、参考电压接5V电源、输出端接三极管T基极；二级管D1接5V电源，并与电容C1并联；三极管集电极接电阻R4的一端、发射极接电阻R5的一端；电阻R5的另一端接地；电阻R3的一端接5V电源，另一端与电阻R4的另一端连接；电阻R6的一端接地，另一端与二级管D2的阳极连接，二级管D2的阴极接电容C2；二级管D3的阳极与电容C2连接，阴极与电阻R3、电阻R4连接。具体地，本实施例，电阻R1、R2阻值为51k欧姆，电阻R3为5.1k欧姆，电阻R4为330欧姆，电阻R5为30欧姆，电阻R6为125欧姆；电容C1为10uf、电容C2为100nf；二极管D1为5.1V,二极管D2和D3型号为IN4007。

本实施例，位移传感器采用阿贝克HT-10系列双余度冗余设计LVDT线性位移传感器。该传感器的工作温度在-55℃到+165℃之间，量程为-5mm到+8mm。

进一步地，结合图7所示，本实施例，芯片内的体积流量Q_V1的具体运行逻辑如下所述：

(1)求解温度、压力校正后的密度

利用获取的温度、压力值分别对燃油参考密度ρ_ref进行校正，得到温度对密度的校正因子VCF、压力对密度的校正因子C_pfd；再根据校正因子VCF、C_pfd和密度p_ref的乘积得到校正后的密度ρ_op。具体如下所示：

温度对密度的校正因子VCF，

其中，

为燃油参考温度下的燃油热膨胀系数，ΔT＝T_op-T_ref，T_ref为燃油参考温度、T_0P为温度测量电路测得的温度。

压力对密度的校正因子C_pfd，

C_pfd＝(1-F*(p_atm-p_eq))/(1-F*(p_op-p_eq))，其中，F为燃油可压缩性校正因子，P_atm为标准大气压力，P_eq为平衡压力P_op表示燃油工作状态的压力，由压力测量电路测得。

(2)求解温度、压力校正后的体积流量Q_V1，包括以下内容，

A，利用燃油粘度随温度的变化关系，得到温度校正后的燃油粘度ν_Top；利用动态粘度系数μ_s、C_pfd，确定粘度的压力校正因子C_pfv；利用燃油粘度ν_Top、压力校正因子C_pfv的乘积得到温度、压力校正后的粘度ν_op；

其中，粘度的压力校正因子C_pfv的计算公式为，

其中，P_gage表示表压力、μ_s表示动态粘度系数。

燃油粘度ν_Top的计算公式为，

其中，中间变量AZ_Top＝Z_Top-0.7；Z_TOP表示燃油工作状态下的粘度；

粘度ν_op的计算公式为，ν_op＝ν_Top*C_pfv。

B，利用ν_op确定燃油粘度对应的Roshko数Ro_op；根据检定装置得到涡轮流量计特性的Strouhal-Roshko校准曲线，利用校准曲线和Roshko数Ro_op确定Strouhal数St_op；利用确定的Strouhal数St_op确定燃油工作状态下真实的k因子值Kop；根据涡轮的频率f、k因子值Kop得到温度压力校正后的体积流量Q_V1。具体内容如下所述：

1)涡轮流量计校正因子的估计

首先，根据燃油工作温度和涡轮膨胀系数确定工作温度下涡轮流量计的温度校正因子C_tr和C_tk；具体计算过程如下，

根据工作温度和涡轮膨胀系数确定工作温度下涡轮流量计的温度校正因子C_tr、C_tk；其中，α₁表示涡轮流量计的热膨胀系数，为已知常数；ΔT＝T_op-T_ref，T_ref为燃油参考温度、T_0P为温度测量电路测得的温度。

C_tr＝(1+α₁*ΔT)²≈1+2*α₁*ΔT

C_tk＝(1+α₁*ΔT)³≈1+3*α₁*ΔT

然后，再根据指定涡轮流量计的口径D、材料的弹性系数E、流量计的壁厚t分别确定压力校正因子C_pr和C_pk。其中，压力变化Δp＝p_op-p_cal，P_op表示燃油工作状态的压力，P_cal表示校准过程中流量计中燃油的绝对压力值；

C_pr＝[1+(Δp*D)/(E*t)]²

C_pk＝[1+(Δp*D)/(E*t)]³

2)利用ν_op确定燃油粘度对应的Roshko数Ro_op

根据校正后粘度ν_op、涡轮流量计的频率f、温度校正因子C_tr、压力校正因子C_pr计算得到Roshko数Ro_op；

Ro_op＝(f/ν_op)*C_tr*C_pr。

3)确定燃油工作状态下真实的k因子值

根据检定装置得到涡轮流量计特性的Strouhal-Roshko校准曲线，如图6所示，利用校准曲线和Roshko数Ro_op确定Strouhal数St_op，求取实际工作状态下的k因子值K_op：

K_op＝St_op/(C_tk*C_pk)

4)根据涡轮的频率f、k因子值K_op得到温度压力校正后的体积流量Q_V1＝f/k_op。

进一步地，本实施例，芯片内的燃油流量Q_V2的具体计算逻辑为，

其中，C_d为燃油比热容比；压力变化Δp＝p_op-p_cal，P_op表示燃油工作状态的压力，P_cal表示校准过程中流量计中燃油的绝对压力值。

本实施例，结合图2所示，芯片内设置阈值为0-0.01；体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差为|(Q_V1-Q_V2)/Q_V2|。

当体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差大于设置阈值时，体积流量Q_V1是不满足要求，芯片将燃油流量Q_V2作为真实的质量流量通过输出电路输出；当体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差小于设置阈值时，体积流量Q_V1是满足要求，将燃油流量Q_V1作为真实的质量流量通过输出电路输出。

Claims (8)

1.基于涡轮流量计的智能燃油计量校正装置，其特征在于，所述装置包括：信号采集电路和微电子处理器；

信号采集电路，用于分别采集燃油流量、温度和压力信号及燃油计量活门的开度面积，并将采集的信号通过A/D模块转换后发送给微电子处理器；

微电子处理器，用于首先，根据获取的温度、压力计算得到温度压力校正后的体积流量Q_V1，根据接收的燃油计量活门的开度面积A计算得到流经计量活门的燃油流量Q_V2；然后，根据体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差与设置阈值的差异，判断体积流量Q_V1是否满足要求；当体积流量Q_V1满足要求，将温度压力校正后的密度ρ_op与体积流量Q_V1的乘积作为真实的质量流量输出；当体积流量Q_V1不满足要求，将燃油流量Q_V2作为真实的质量流量输出。

2.根据权利要求1所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，所述信号采集电路包括温度采集电路、压力采集电路和流量采集电路，对应分别采集燃油温度、压力和流量信号。

3.根据权利要求2所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，所述信号采集电路还包括计量活门开度面积传感器LVDT，用于采集计量活门的开度面积。

4.根据权利要求1所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，所述装置还包括输出电路，输出电路包括比较器U1、U2,电阻R1、R2、R3、R4、R5和R6，二极管D1、D2和D3，三极管T；

比较器U1的正端与微电子处理器的D/A输出端连接、负端与输出端连接；比较器U1的输出端与电阻R1的一端连接；电阻R1的另一端与电阻R2的一端、比较器U2的负端连接；比较器U2的正端接地、参考电压接5V电源、输出端接三极管T基极；二级管D1接5V电源，并与电容C1并联；三极管T集电极接电阻R4的一端、发射极接电阻R5的一端；电阻R5的另一端接地；电阻R3的一端接5V电源，另一端与电阻R4的另一端连接；电阻R6的一端接地，另一端与二级管D2的阳极连接，二级管D2的阴极接电容C2；二级管D3的阳极与电容C2连接，阴极与电阻R3、电阻R4连接。

5.根据权利要求1所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，所述微电子处理器，利用获取的温度、压力值分别对燃油参考密度ρ_ref进行校正，得到温度对密度的校正因子VCF、压力对密度的校正因子C_pfd；再根据校正因子VCF、C_pfd和密度p_ref的乘积得到校正后的密度ρ_op。

6.根据权利要求5所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，温度压力校正后的体积流量Q_V1的计算过程为，

利用燃油粘度随温度的变化关系，得到温度校正后的燃油粘度ν_Top；利用动态粘度系数μ_s和C_pfd，确定粘度的压力校正因子C_pfv；利用燃油粘度ν_Top、压力校正因子C_pfv的乘积得到温度、压力校正后的粘度ν_op；

利用ν_op确定燃油粘度对应的Roshko数Ro_op；根据检定装置得到涡轮流量计特性的Strouhal-Roshko校准曲线，利用校准曲线和Roshko数Ro_op确定Strouhal数St_op；利用确定的Strouhal数St_op确定燃油工作状态下真实的k因子值Kop；根据涡轮的频率f、k因子值Kop得到温度压力校正后的体积流量Q_V1。

7.根据权利要求1所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，燃油流量Q_V2的计算公式为，

其中，C_d为燃油比热容比；Δp＝p_op-p_cal，P_op表示燃油工作状态下的压力，P_cal表示校准过程中流量计中燃油的绝对压力值。

8.根据权利要求1所述的智能燃油计量校正装置，其特征在于，设置阈值为0-0.01；体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差为|(Q_V1-Q_V2)/Q_V2|；

当体积流量Q_V1、燃油流量Q_V2的相对误差大于设置阈值时，体积流量Q_V1是不满足要求。

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