徐 奎 上海鐵路局安徽鐵道集團(tuán)公司

1 項(xiàng)目背景

內(nèi)燃機(jī)車燃油消耗歷來是鐵路運(yùn)營的主要成本之一。然而，如按目前全額配給即“凡入庫整備機(jī)車均按照油箱容積一律加滿”的粗放式管理方式，根本無法滿足鐵路深化改革以及體制改變可能帶來的精密成本核算的要求。影響內(nèi)燃機(jī)車油耗的約束條件有很多，諸如：牽引線路環(huán)境、機(jī)車運(yùn)用狀態(tài)、人員操控水平以及無功消耗、長交路輪乘制等等，但是，最重要的因素是我們無法實(shí)現(xiàn)對內(nèi)燃機(jī)車油耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及由此帶來的準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)、科學(xué)分析、合理補(bǔ)充、精確控制等精細(xì)化的科學(xué)管理。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要考慮到如何安裝采集系統(tǒng)、如何采集數(shù)據(jù)、如何讀出采集數(shù)據(jù)、如何將數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)這四個(gè)問題。

2.1.1 采集器安裝外置選擇

采集器安裝在機(jī)車油箱的檢修孔位置，并且無外接引線，保持原封口形狀。

2.1.2 采集數(shù)據(jù)

使用壓力傳感器測量液體壓強(qiáng)，將壓強(qiáng)值換算成液位高度，根據(jù)不同高度所對應(yīng)的體積，換算成容積（1）。

2.1.3 采集器的數(shù)據(jù)輸出

采集器與抄表器采用無線通訊方式，把數(shù)據(jù)從采集器中下載到抄表器中。

2.1.4 與計(jì)算機(jī)的連接問題

采用兩種方法：

（1）在抄表器上提供USB口，可將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中。

（2）在抄表器上提供一個(gè)插TF卡的位置，數(shù)據(jù)平時(shí)存放在TF卡上，卡可以取下，插入到和計(jì)算機(jī)相連的讀卡器上，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意圖見圖1所示。

2.2 結(jié)構(gòu)及框圖設(shè)計(jì)

因?yàn)闄C(jī)車油箱采用的是A3型鋼材，厚度為6 mm，采集器外殼選用鋼材與油箱相同。設(shè)計(jì)出的外殼形狀見圖2。

采集器和抄表器硬件框圖見圖3和圖4。

2.3 安全可靠性設(shè)計(jì)

2.3.1 原器件選擇

設(shè)計(jì)方案中選用的均為成熟的電子元器件。設(shè)計(jì)電源電壓≤3.6 V，全部元器件的耐壓均在4 V以上。設(shè)計(jì)方案中使用大規(guī)模集成電路代替分離元件，減少元器件數(shù)量，可以大大提高可靠性。

（1）采集器電池

選擇一款鋰亞硫酰氯電池，標(biāo)稱容量19 Ah，標(biāo)稱電壓3.6 V。我們需要該電池所具有的兩個(gè)特性：

放電性能的下降沿陡峭（在-10℃～65℃，≤30 mA的放電電流，見圖5所示；電壓與溫度的關(guān)系比較平坦）見圖6所示。

（2）壓力傳感器

傳感器選用的是HM19型擴(kuò)散硅壓阻式差壓敏感元件，是一種采用不銹鋼波紋膜片隔離的OEM差壓測量元件。采用一體化結(jié)構(gòu)，耐靜壓值高，穩(wěn)定可靠。高、低壓端均采用隔離膜片保護(hù)，因此可接觸具有一定腐蝕性和導(dǎo)電性的流體介質(zhì)，被測壓差通過隔離膜片和充灌的硅油傳遞到硅壓敏元件上，實(shí)現(xiàn)差壓的精確測量。全316L不銹鋼材質(zhì)。電氣部分與檢測部分通過油脂隔離。精度0.25%，量程(0～10)kPa，電源電壓(6～3.1)V。(0～2.5)V電壓型輸出。高靜壓20 MPa。工作溫度(-40～125)°C。結(jié)構(gòu)見圖 7。

2.3.2 電源備份設(shè)計(jì)

為了保證采集器內(nèi)的時(shí)間不丟失，采集器時(shí)鐘模塊有一備用紐扣電池，即使沒有及時(shí)更換鋰亞硫酰氯電池，紐扣電池也可以維持時(shí)鐘模塊工作一段時(shí)間。

2.3.3 數(shù)據(jù)采集

為了可靠地采集到被測液體的壓強(qiáng)，每次采集壓強(qiáng)數(shù)據(jù)時(shí)，不是采集一次，而是每20 ms采集一次，求其平均值。

2.3.4 抗干擾設(shè)計(jì)

（1）無線收發(fā)抗干擾，采用以下協(xié)議：

抄表器發(fā)送喚醒命令。

采集器回傳確認(rèn)收到命令。

抄表器發(fā)送執(zhí)行命令。

采集器回傳帶有校驗(yàn)字節(jié)的數(shù)據(jù)包。

抄表器發(fā)送收到確認(rèn)。

采集器收到收到確認(rèn)后休眠。

（2）中央處理器抗干擾：

采集器的CPU平時(shí)處于休眠狀態(tài)，有極強(qiáng)的抗干擾能力。利用看門狗復(fù)位機(jī)制，來監(jiān)視處理器的工作情況，見圖8所示。

2.3.5 安全性設(shè)計(jì)

因?yàn)椴杉靼惭b在油箱上，所以對安全性的要求很高。對采集器安全性的要求主要解決下面兩個(gè)問題：

（1）防止漏油

采集器外殼的材質(zhì)采用與油箱相同的A3鋼材，面板厚度8 mm（與原檢修孔蓋材質(zhì)和厚度相同），其余殼體厚度5 mm。

傳感器可耐100 kPa的沖擊（油箱裝滿油后傳感器的壓強(qiáng)＜8 kPa）。

采集器殼體焊接后使用X線探傷儀進(jìn)行測試，焊接合格才能上車。

傳感器的安裝：內(nèi)部安裝紫銅密封墊，外面用彈簧墊加螺母緊固。采集器內(nèi)部鋪敷5 mm厚的環(huán)氧樹脂防漏。

（2）電氣隔離

采集器里的線路板涂覆三防漆（防潮、防腐蝕、防霉），即使有導(dǎo)電粉塵進(jìn)入采集器內(nèi)部，也不會影響電路的正常工作，同時(shí)也保證電路部分與柴油氣體完全電氣隔離。

2.4 軟件設(shè)計(jì)流程

采集器流程：上電→初始化各種設(shè)備→RTC激活配置→系統(tǒng)激活判斷→Yes（No→MCU休眠→系統(tǒng)激活判斷）→時(shí)鐘激活判斷→No（Yes→采集數(shù)據(jù)并存儲→RTC激活配置）→無線激活判斷→Yes（No→MCU休眠→系統(tǒng)激活判斷）→打開看門狗（2 s）→進(jìn)入接受模式→接收到命令包判斷→No（Yes→命令包處理→進(jìn)入接受模式）→看門狗時(shí)間到判斷→No（Yes→初始化各種設(shè)備）→進(jìn)入接受模式。

抄表器流程：上電→初始化模塊→判斷是否有按鍵按下→Yes（No→顯示抄表界面）→判斷是否按抄表鍵→No（Yes→實(shí)時(shí)采集處理→顯示抄表界面）→判斷是否按歷史鍵→No（Yes→歷史記錄讀取→顯示抄表界面）→判斷是否按校時(shí)鍵→No（Yes→顯示RTC校準(zhǔn)界面）→判斷是否按USB鍵→No（Yes→虛擬U盤）→判斷是否有按鍵按下。

3 攻克技術(shù)難題

3.1 壓力傳感器輸出信號的濾波方法

（1）軟件濾波：為了可靠地采集到被測液體的壓強(qiáng)，每次采集壓強(qiáng)數(shù)據(jù)時(shí)，不是采集一次，而是每20 ms采集一次，求其平均值。

（2）硬件濾波（電路圖見圖9）：硬件采用有源濾波器濾波，并起到隔離傳感器和AD轉(zhuǎn)換器的作用。

3.2 采集器的電源管理

單片機(jī)控制MOS管，可以供給和切斷傳感器的電源；可以供給和切斷無線模塊的電源；可以供給和切斷鐵電存儲器的電源；

3.3 壓力傳感器的線性分段

理想的壓力傳感器，其輸出電壓與檢測的壓強(qiáng)應(yīng)該是線性關(guān)系，但實(shí)際上無法做到完全線性。我們對每只傳感器都進(jìn)行了標(biāo)定，對其壓強(qiáng)與電壓曲線進(jìn)行分段線性模擬，極大地提高了精確度。

3.4 柴油密度的溫度補(bǔ)償方法

密度對測量高度的影響（假設(shè)柴油壓強(qiáng)為8 kPa，重力加速度 9.8 m/s2，柴油密度為 0.86 g/cm3）：

密度誤差0.001 g/cm3：

柴油高度誤差=|8000/(0.86×9.8)-8000/(0.859×9.8)|=1 mm

密度誤差0.002 g/cm3：

柴油高度誤差=|8000/(0.86×9.8)-8000/(0.858×9.8)|=2 mm

密度誤差0.004 g/cm3：

柴油高度誤差=|8000/(0.86×9.8)-8000/(0.856×9.8)|=4.5 mm

而溫度每變化5℃，柴油密度將變化(0.003～0.005)g/cm3，所以密度隨溫度的變化是不能忽略的。在檢測密度的同時(shí)，對溫度也進(jìn)行測量，并按總結(jié)的公式進(jìn)行計(jì)算：

已知在t（-20°C＜=t＜=60°C）溫度下測得密度為ρt，則任一溫度 T（-20°C＜=T＜=60 °C）下的密度 ρ 可按下式計(jì)算

得出的結(jié)果與《石油產(chǎn)品計(jì)量速算表 石油產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)密度表》（石油靜態(tài)和輕烴計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)化歸口單位編 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 2005年9月出版）相比，對于20°C密度（即標(biāo)準(zhǔn)密度）在(0.807～0.881)g/cm3范圍的柴油，在溫度（-20～60）°C 范圍內(nèi)下的密度，誤差≤0.001g/cm3。

[1]專利申請?zhí)枺?01110122222.7；類別：實(shí)用新型；名稱：直接測量車用燃油油耗量的綜合測量系統(tǒng)；專利權(quán)人：成都泛華航空儀表電器有限公司；公告日期：2012.11.14.

[2]專利申請?zhí)枺?2252131.3；類別：實(shí)用新型；名稱：車輛油箱耗油監(jiān)控裝置；專利權(quán)人：廈門歐潤智能交通設(shè)備有限公司;福建省電子技術(shù)研究所；公告日期：2003.07.09.

[3]專利申請?zhí)枺?5107140；類別：發(fā)明；名稱：內(nèi)燃機(jī)燃油計(jì)量系統(tǒng)；專利權(quán)人：潘明道;陳國華；公告日期：1986.10.29.