張海麗，陳衛(wèi)民

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州　310018)

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基于GPRS的內(nèi)河船舶油耗監(jiān)測(cè)裝置研制

張海麗，陳衛(wèi)民

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，杭州310018)

為實(shí)現(xiàn)內(nèi)河船舶的節(jié)能減排，提高能耗統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)水平，改進(jìn)數(shù)據(jù)采集和生產(chǎn)模式，研制了一種基于電容測(cè)量和GPRS相結(jié)合的油耗測(cè)量裝置；對(duì)用于船舶的電容式傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并搭建了傳感器、GPRS通信模塊以及微處理器LM3S1968為核心的檢測(cè)處理系統(tǒng)，利用軟件抗干擾和溫度補(bǔ)償技術(shù)對(duì)油量信號(hào)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)河船舶耗油量的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；實(shí)船測(cè)試結(jié)果表明，裝置測(cè)量油耗量能較好地反映實(shí)際用油量，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)模式的智能化，為內(nèi)河船舶能耗統(tǒng)計(jì)工作帶來(lái)便捷性、可靠性。

內(nèi)河船舶；油耗測(cè)量；GPRS；溫度補(bǔ)償

0　引言

交通運(yùn)輸是國(guó)務(wù)院確定的節(jié)能減排3個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域之一，1/3以上的汽柴油等石油制品消耗在交通運(yùn)輸領(lǐng)域[1]，其能耗狀況直接影響和決定著整個(gè)社會(huì)的節(jié)能效果。建立能耗統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)體系是促進(jìn)行業(yè)節(jié)能管理的工作基礎(chǔ)。其中，水路運(yùn)輸尤其是內(nèi)河船舶油耗統(tǒng)計(jì)監(jiān)測(cè)工作基礎(chǔ)仍十分薄弱，油耗數(shù)據(jù)采集難度較大，數(shù)據(jù)質(zhì)量無(wú)法保證[2]。

目前，國(guó)內(nèi)航運(yùn)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)等多采用燃油流量計(jì)測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)輸出油量的方式確定油耗[3-4]，但是，對(duì)于內(nèi)河船舶，使用燃油流量計(jì)法將給發(fā)動(dòng)機(jī)供油管路帶來(lái)較大壓損，油路有雜質(zhì)易導(dǎo)致供油動(dòng)力不足，這在船舶行駛中是非常危險(xiǎn)的一種情況，因此不宜采用?；谟拖溆土繙y(cè)量法的變介質(zhì)式同軸電容傳感器，是根據(jù)傳感器管道內(nèi)燃油和空氣占比與電容的關(guān)系來(lái)確定油耗，其安裝方法如圖1所示，不改變發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)且安裝簡(jiǎn)便、易清潔。

本文選用變介質(zhì)式同軸電容傳感器并提出適合內(nèi)河船舶的油耗測(cè)量方案，摒棄傳統(tǒng)油耗統(tǒng)計(jì)模式偏人為性、非實(shí)時(shí)性[5-6]的缺點(diǎn)，利用GPRS技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸油耗數(shù)據(jù)[7]，省去人工統(tǒng)計(jì)油耗量的工作，為船舶經(jīng)濟(jì)環(huán)保航行提供技術(shù)資料。

圖1變介質(zhì)式同軸電容傳感器安裝示意圖

1　油耗測(cè)量原理及傳感器設(shè)計(jì)

1.1變介質(zhì)式同軸電容傳感器測(cè)量原理

處于電場(chǎng)中的兩個(gè)同軸圓筒形金屬導(dǎo)體，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，直徑分別為D和d。當(dāng)兩圓間充以空氣介質(zhì)時(shí)，兩圓筒間的電容量為

(1)

式中，ε0為真空介電常數(shù)，空氣的介電常數(shù)ε1=1。

當(dāng)在兩極間流入液體時(shí)，如圖2所示，高度為h，此時(shí)電容量為

(2)

從上式可知，當(dāng)液體的介電常數(shù)εr一定時(shí)，電容量C與液體浸沒(méi)電容器的高度h成正比。因此，測(cè)出電容量的數(shù)值即可計(jì)算液體的高度。

該方法的油耗體積計(jì)算公式為

(3)

式中，S為油箱橫截面積，Hmax為滿(mǎn)油時(shí)的液位高度，H為耗油后油量液位高度。

圖2　電容傳感器測(cè)量原理圖

1.2傳感器機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述測(cè)量原理，結(jié)合船舶油箱結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了電容傳感器，它由內(nèi)電極、外電極、主體殼(含蓋)、內(nèi)固板、內(nèi)置板和絕緣套6個(gè)部分組成。內(nèi)、外電極為傳感器的主體部分，主體殼、內(nèi)固板、內(nèi)置板和絕緣套為傳感器的零部件，作用于內(nèi)、外電極上，圖3所示為各零部件的三維模型。

圖3　各零部件的三維模型設(shè)計(jì)圖

主體殼用于固定內(nèi)、外電極于船舶油箱外側(cè)，也作內(nèi)嵌C/V轉(zhuǎn)換電路的保護(hù)殼。內(nèi)固板內(nèi)嵌于主體殼中，并套于內(nèi)電極頂部，充當(dāng)內(nèi)電極。主體殼與內(nèi)固板均采用鋁合金材質(zhì)，其材質(zhì)輕、塑性好、強(qiáng)度高，便于機(jī)械組裝。內(nèi)置板緊貼內(nèi)固板下方，套于內(nèi)電極上，用于隔絕內(nèi)、外電極頂部。絕緣套用于固定并隔絕內(nèi)、外電極底部。兩者均采用具有耐高溫、抗腐蝕性強(qiáng)、易清潔特點(diǎn)的聚四氟乙烯材質(zhì)。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

油耗監(jiān)測(cè)裝置的硬件部分主要由電容傳感器、C/V轉(zhuǎn)換電路、ARM Cortex-M3為內(nèi)核的處理器LM3S1968(內(nèi)置AD采樣模塊)、GPRS通信電路以及外圍電路等組成，如圖4所示。系統(tǒng)首先由傳感器采集船舶油箱實(shí)時(shí)油耗量，將油耗的液位變化轉(zhuǎn)換成電容值輸出，后經(jīng)C/V轉(zhuǎn)換電路將電容信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再經(jīng)微處理器AD采樣、數(shù)據(jù)處理，最后控制GPRS通信系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)桨痘到y(tǒng)。

圖4　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1C/V轉(zhuǎn)換電路

電容傳感器和C/V轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成系統(tǒng)的采樣輸入電路。如圖5所示為C/V轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)圖，利用集成電路CAV444[8]采集外部傳感器的電容值Cx，將其轉(zhuǎn)換成可供MCU處理的電壓信號(hào)。Cx1是CAV444內(nèi)部f/U轉(zhuǎn)換電路的電容，為了使輸出電壓在0～4 V(傳感器的最大液位變化范圍，對(duì)應(yīng)的電壓范圍)之間，Cx1取100 pF。電阻R3R4用于調(diào)準(zhǔn)CAV444內(nèi)部運(yùn)放輸出級(jí)的放大倍數(shù)，運(yùn)放的輸出電壓VOUT與內(nèi)部參考電壓VREF之間形成差分電壓輸出，經(jīng)放大器AD620放大后提供給MCU采樣。

圖5　C/V轉(zhuǎn)換電路

2.2GPRS通信電路

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，采用GPRS方式發(fā)送數(shù)據(jù)，本裝置選用自帶TCP/IP協(xié)議棧的MC52iR3通信模塊，采用該模塊可以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)無(wú)需在ARM中嵌入TCP/IP協(xié)議。如圖6所示為GPRS通信電路設(shè)計(jì)，MC52iR3與LM3S1968的串口均支持RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)，兩者通過(guò)UART2相連，進(jìn)行AT指令和數(shù)據(jù)的傳輸。采用LM3S1968的GPIO口分別控制模塊的啟動(dòng)與關(guān)斷，用兩個(gè)9013型三極管Q1Q2實(shí)現(xiàn)兩端的電平隔離。MC52iR3的基帶處理器上提供一個(gè)綜合SIM接口，共6個(gè)引腳，設(shè)計(jì)時(shí)將這些引腳連接到SIM卡座的對(duì)應(yīng)管腳即可。

圖6　GPRS通信電路

3　數(shù)據(jù)處理及軟件設(shè)計(jì)

3.1濾波采樣

對(duì)于內(nèi)河船舶，油箱受波浪影響較小，造成的液位波動(dòng)可通過(guò)軟件濾波進(jìn)行消除。本裝置采用數(shù)字濾波技術(shù)中的算術(shù)平均值法[9]，按公式(4)～(6)方式對(duì)電壓值進(jìn)行濾波采樣。

(4)

式中，j∈[1,5]，n一般取5～10。公式(4)是未耗油時(shí)的采樣方式，每組連續(xù)采樣n次共采樣5組，并對(duì)每組采樣數(shù)據(jù)分別求平均，jmax=5可滿(mǎn)足濾波所需的采樣點(diǎn)。

(5)

公式(5)是耗油后的采樣處理方式，油品消耗緩慢，油耗數(shù)據(jù)變化主要由液位波動(dòng)引起，采用式(5)的處理方式為了保證采樣的連續(xù)性以達(dá)到較好的濾波效果。

(6)

式(6)是對(duì)式(4)或式(5)中的5組平均值再求平均，以消除波動(dòng)干擾，完成濾波處理。

3.2基于溫度補(bǔ)償?shù)碾妷?高度的線性轉(zhuǎn)換

由于油箱所處環(huán)境溫度隨氣候、晝夜交替等發(fā)生變化，會(huì)引起液位高度的變化。因此，在研制裝置前，完成油品的溫度、液位高度與電壓的變化關(guān)系實(shí)驗(yàn)。多次測(cè)量在不同溫度下的高度、電壓值，并列出三者的關(guān)系表。表1為通過(guò)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)建立的T、H、U的三維標(biāo)定采樣表。

表1　三維標(biāo)定采樣表

設(shè)定若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)試樣，溫度為T(mén)1，T2，…，Tm液位為H1，H2，…，Hn，測(cè)量T與H下的U值并建立T1～Tm下H與U的線性函數(shù)關(guān)系。為了使標(biāo)定實(shí)驗(yàn)操作盡量簡(jiǎn)單，m一般為4～6，n一般為6～8，可利用采樣表中的數(shù)據(jù)通過(guò)樣條函數(shù)插值法來(lái)建立補(bǔ)償校正標(biāo)定表。

測(cè)量時(shí)，如溫度為T(mén)x，先在表2中找到與Tx相近的Ti與Ti+1，即Ti

(7)

再建立此時(shí)H與U的函數(shù)關(guān)系。

表2　補(bǔ)償校正標(biāo)定表

最后根據(jù)實(shí)際測(cè)量時(shí)油箱的溫度和電壓代入對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系求得液位高度值。

3.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本裝置的軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、處理以及無(wú)線發(fā)送功能。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖7所示。系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化后，由LM3S1968發(fā)出AD采樣控制信號(hào)，采樣結(jié)果經(jīng)數(shù)字濾波后得到準(zhǔn)確的采樣數(shù)據(jù)，并在處理器中完成油耗值的換算，再利用GPRS模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控終端。使用GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)前，對(duì)模塊進(jìn)行配置，通過(guò)向模塊寫(xiě)入相應(yīng)的AT指令，初始化GPRS模塊，使之成功附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，獲取網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的IP地址，建立與目的終端的連接。

圖7　程序流程圖

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

將傳感器安裝于某內(nèi)河港口的14艘船舶上，根據(jù)船戶(hù)實(shí)際加油情況，與本項(xiàng)目設(shè)計(jì)的油耗裝置測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，表3列出了兩者的油耗對(duì)比情況。

表3　內(nèi)河船舶油耗監(jiān)測(cè)裝置的誤差情況

由表中數(shù)據(jù)可知，船舶相對(duì)測(cè)量誤差在12%以?xún)?nèi)，不同船舶產(chǎn)生的誤差相差較大，其原因部分船舶油箱嵌在船體中，其截面難以準(zhǔn)確測(cè)量，導(dǎo)致誤差較大，而對(duì)于規(guī)則的油箱則油耗測(cè)量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)基于電容傳感器和GPRS通信的船舶油耗測(cè)量裝置，分析了各模塊的結(jié)構(gòu)和功能，給出了裝置的部分硬件電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理方法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的有效處理和傳輸。對(duì)于內(nèi)河河道，波浪較小，船速緩慢，油箱搖晃程度較小，本裝置能夠較好地完成內(nèi)河船舶油耗數(shù)據(jù)的采集。

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Development of Fuel Consumption Measuring Device of Inland Ships Based on GPRS

Zhang Haili，Chen Weimin

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,China Jiliang University，Hangzhou310018，China)

In order to realize energy conservation and emissions reduction for inland ships, improve the statistics and monitoring level of energy consumption, refine the data acquisition and production mode, a fuel- consumption measuring device based on capacitance measurement combined with GPRS was developed. The structure of the capacitive sensor was designed to be used in the ship, the monitoring processing system was constructed by the sensor, GPRS module and microprocessor LM3S1968 as its core, the software anti-interference and temperature compensation technology were used in data processing, to realize remote real-time monitoring for fuel consumption of inland ships. On-board test results show that the measuring results of the device are close to the actual data. The project implements the intellectualization of monitoring mode. It makes energy consumption statistic convenient and reliable.

inland river ships; fuel consumption measuring; GPRS; temperature compensation

2015-06-29；

2015-08-25。

浙江省“儀器科學(xué)與技術(shù)”重中之重學(xué)科開(kāi)放基金資助。

張海麗(1990-)，女，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，主要從事自動(dòng)化參數(shù)檢測(cè)方向的研究。

陳衛(wèi)民(1972-)，男，浙江杭州人，副教授，主要從事新能源發(fā)電、參數(shù)檢測(cè)方向的研究。

1671-4598(2016)01-0031-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.008

TB23

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