０引言
　　流量是(shi)現代工業測量過(guò)程中的一個重要(yào)參數，渦輪流量傳(chuán)感器 渦輪轉子輕(qīng)、慣性小，因此測量(liang)精度高、量程範圍(wei)寬、重複性與動态(tài)特性好［１］。因此，各國(guó)的發動機試車台(tái)多使用渦🐇輪流量(liàng)傳感器測量發動(dòng)機燃油流量［２］。渦😘輪(lún)流量傳感器屬于(yu)速度式流量儀表(biǎo)㊙️，當被測流體流過(guò)傳感器時，在流體(ti)作用下☎️，葉輪受力(lì)❌而旋轉，轉🤩速與管(guan)道内🍉流體流速成(chéng)正比，葉輪轉動後(hòu)周期性🥰地改變磁(cí)電轉換器的磁阻(zǔ)值，檢測線圈中的(de)☀️磁通随之發生☎️周(zhou)期性變化，産生周(zhou)期性的感應電勢(shi)，即電脈沖信号［３］，流(liú)量傳⭕感器輸出的(de)脈沖🏒信号頻率代(dài)表流量大小，流量(liang)與信号頻率在一(yī)定區間内近似成(cheng)線性關系［４］。無人機(ji)燃油消耗量屬重(zhòng)要參數，測量🙇‍♀️意義(yi)重大，有利于正确(què)飛行🆚方案，有效提(tí)高載油利💔用率［５］。在(zai)進行無人機燃油(you)🚶‍♀️流量檢查過程中(zhong)，發動機在低速狀(zhuang)态下開車，燃油流(liú)量測♉量不準确。本(ben)文主☀️要對此故障(zhang)進行仿真分析及(jí)試驗驗證。
１測量原(yuán)理　
１.１工作原理由于(yu)葉輪的葉片與流(liú)向有一定角度，當(dang)燃油🏒沖擊渦輪轉(zhuǎn)子時，流體的沖擊(jī)作用産生推動力(li)矩⛷️，克服流量☔傳感(gan)器支♉撐軸承與轉(zhuan)子之間的機械摩(mo)擦力矩以及由于(yu)流體粘🔴性作用産(chǎn)生的液體阻力之(zhi)後使轉子開始運(yun)動［１］，渦輪流量傳♍感(gan)器結構原理如圖(tú)１所示。

　　在葉輪上的磁鐵(tiě)産生磁場，固定在(zài)傳感器内部的線(xian)圈🈲組💃🏻件㊙️處于磁場(chang)中，如圖２所示，當燃(rán)油通過傳感器内(nèi)腔後，燃油的流速(sù)驅動葉輪旋轉，帶(dai)動葉輪上‼️的磁鐵(tiě)旋轉，此時線圈組(zǔ)件感應的磁通量(liang)也周期⭐發生變化(huà)。

根據電磁感應原(yuan)理，線圈的磁通量(liang)發生變化，相應産(chǎn)生感應電勢：

Ｎ爲線(xian)圈的匝數，ΔΦ爲磁通(tong)量變化，ΔＴ爲變化時(shí)間。因此，燃📧油流過(guò)渦輪流量傳感器(qì)時，線圈會産生周(zhōu)期變化電壓，即葉(yè)輪轉動一圈，就會(huì)感應出一個正弦(xián)信号，葉輪連續轉(zhuǎn)動，就會周期的産(chan)生正弦信号。經過(guo)信号處理轉🏒換爲(wei)脈沖信号，渦輪流(liu)量傳感器穩定運(yùn)行輸出的脈沖頻(pin)率與流🚩經流量傳(chuán)感器的流量理🌂論(lun)關系如下［６］：

Ｑ爲通過(guo)渦輪流量傳感器(qi)的體積流量（Ｌ／ｓ），ｆ爲脈(mo)沖信号🚩頻率✌️（Ｈｚ），ｋ爲儀(yí)表系數（１／Ｌ）。
　　信号處理(lǐ)單元主要實現交(jiao)流信号處理及數(shù)據通信，首先将👈交(jiāo)流信号轉爲脈沖(chòng)信号，其次單片機(ji)控制器⛷️通過光耦(ǒu)電氣隔離采集并(bìng)計算脈沖頻率，依(yi)據标定的流量♊和(he)頻率關系計算相(xiang)應燃油流量，最後(hou)将數據寫入串口(kou)通信模塊，經由電(dian)氣接口發至機載(zai)計算機⭐。
１.２信号轉換(huan)及處理
　　渦輪流量(liàng)傳感器中的葉輪(lun)旋轉時，線圈周期(qī)産生幅❗值爲數🤩十(shi)毫安至數百毫安(an)的微小交流信号(hào)，經過第一級🌍運算(suàn)🐅放大器将微小交(jiao)流信号進行放大(da)并限幅，消除幅值(zhi)爲負的信号。再經(jīng)過第二級比較😍器(qì)，比較電壓爲零，輸(shu)入電壓大于零時(shi)，輸👄出高電平，否則(zé)輸出低電平，即将(jiāng)交🐪流信号轉換爲(wei)脈沖信号。脈沖經(jing)過光耦進行電氣(qì)隔離，電信号單向(xiang)傳輸，由單片機采(cǎi)集光耦信号輸☁️出(chū)的通斷頻率，即爲(wèi)原始信号頻率值(zhí)，再通過㊙️預先标定(dìng)的頻率與流量關(guan)系，計算可得💁原始(shǐ)信号對♌應的燃油(yóu)流量，信号轉換過(guo)程如圖３所示。

　　在渦輪流量(liang)傳感器标定試驗(yan)台中進行傳感器(qi)标定❌，針對主㊙️流量(liang)點（１００Ｌ／ｈ、１５０Ｌ／ｈ、３００Ｌ／ｈ、６００Ｌ／ｈ）輸入相應流量(liang)的燃油流經渦輪(lun)傳感器，使用頻率(lü)采集設❗備測量脈(mò)沖頻率，并輸入的(de)流量☁️與采集🥵到的(de)頻率相關聯，得到(dao)表１中标定結果。
２故(gù)障現象通過地面(miàn)電源爲設備上電(dian)後，發動機在低轉(zhuan)速🌈狀态下開車，在(zai)地面控制站人機(ji)交互界面查看🈲到(dao)燃❓油流量在💯５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ跳動(dong)🔞，已經超過傳感器(qì)實際測量範圍，此(cǐ)時理論值：

應(yīng)爲８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／ｈ。通過分析飛參(can)記錄設備中的數(shù)據，得到圖４中曲線(xian)。

　　由曲線(xiàn)可以看出，在發動(dong)機未起動時，燃油(you)流量爲０Ｌ／ｈ，故障未出(chū)現；在發動機起動(dong)至最低轉速時，燃(rán)油流量出現異常(cháng)，在💔５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ随機跳動；在轉(zhuǎn)速達到最大轉速(su)時，燃油流量爲２６０Ｌ／ｈ，故(gu)✍️障消失。
通過分析(xī)燃油渦輪流量傳(chuan)感器工作原理及(jí)現場環境，出現⛱️上(shang)述故障原因可能(néng)爲外界磁場耦合(he)進渦輪流量✔️傳感(gan)器線👣圈，使得原始(shi)微小交流信号混(hun)入幹擾✉️信号，且此(cǐ)時信噪比較低，幹(gàn)擾信号起主導作(zuò)用，信号處理單元(yuan)将混入幹擾的信(xin)号處理後計🌐算得(de)到的頻率較高，由(yóu)脈沖頻率與燃油(you)流量成線性對應(yīng)關系，即🥵會出現較(jiao)大的❌燃油流量。
３建(jian)模仿真及驗證
３.１建(jiàn)模仿真
　　爲進一步(bu)分析故障原因，根(gēn)據渦輪流量傳感(gan)器的信号💛轉換過(guo)程建立邏輯模型(xing)，在不同頻率段加(jia)入頻率爲５０Ｈｚ的外界(jie)幹擾，查看脈沖頻(pin)率變化情況。
将表(biǎo)１中數據拟合爲線(xian)性函數，得到如下(xià)燃油渦輪流量傳(chuan)感器産生脈沖的(de)頻率和燃油流量(liang)的關系：

燃油流量(liàng)産生的微小交流(liu)信号爲：
假定外界(jie)電磁幹擾作用于(yu)渦輪流量傳感器(qì)産生💞的幹擾爲：
渦(wo)輪傳感器線圈輸(shū)出信号爲：
限幅後(hou)的信号爲：
轉換爲(wèi)脈沖信号：Ｍａｘ爲脈沖(chòng)幅值。
　　基于ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立燃(ran)油渦輪流量傳感(gan)器的邏輯模型，如(ru)圖５所示。由于Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ可以(yi)用連續或離散狀(zhuàng)态方程描述動态(tai)系統模塊，因此，渦(wo)輪流量傳感器線(xian)圈磁－電轉換、波形(xíng)限幅、交流轉脈沖(chong)等模塊基于Ｍ－ｆｉｌｅ模闆(pan)🌈編寫Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ來實現［７－８］。

　　分别設定理(lǐ)論燃油流量爲表(biao)１中标定的下限１００Ｌ／ｈ和(hé)上限🌍６００Ｌ／ｈ，渦輪流量🧑🏾‍🤝‍🧑🏼傳(chuan)感器信号輸出及(ji)脈沖輸出如圖６所(suǒ)示。

　　仿真(zhēn)結果表明，在低流(liu)量時，渦輪流量傳(chuán)感器原始微小交(jiao)❤️流✊信🏃‍♀️号過零比較(jiao)處，脈沖頻率較高(gāo)，且幅值🥵不穩定。而(ér)在高流量時，脈沖(chong)信号頻率與真實(shi)信号頻率相近，幅(fú)值穩定。
仿真結果(guo)與故障現象一緻(zhì)，初步推斷渦輪流(liu)量傳感器故障原(yuan)因爲外界磁場幹(gàn)擾。
３.２　
　　驗證試驗爲确(què)定故障原因，在燃(rán)油測試台中進行(háng)驗證試驗，設定供(gòng)給至渦輪流量傳(chuán)感器的燃油真實(shi)流量爲９０Ｌ／ｈ，通過繼電(diàn)💋器控制外置線圈(quan)通／斷電，頻率⭐爲５０ Ｈｚ，模(mo)拟外界電磁幹擾(rao)，分别用✂️兩台示波(bō)器檢測到渦輪流(liu)量傳感器線圈輸(shu)出信号和脈沖輸(shu)出信号☎️，如圖７所示(shi)。
　　試驗結果表明，在(zai)未加入外界幹擾(rao)時，原始微小交流(liú)信号及脈沖信号(hao)電氣特性良好，脈(mo)沖最高幅值穩定(dìng)，光耦可以正常🔴通(tōng)／斷，單片機計算得(de)出脈沖信号頻率(lǜ)值。而加入外界幹(gan)擾後，原始信号出(chū)現明顯畸變，幅值(zhí)👄在２２ｍＶ左右，轉換脈沖(chong)信号最高幅值不(bú)穩定🤩 （１.７Ｖ～１.０Ｖ），且最低幅值(zhi)亦有突變，導緻光(guāng)耦出現異常通／斷(duàn)，最終導緻單片機(ji)計算出的頻率較(jiao)真實圖７線圈輸出(chū)波形及脈沖轉換(huàn)波形頻率較高，在(zài)５００Ｌ／ｈ～１　５００Ｌ／ｈ之間跳動。

　　經進一步分析(xi)，由于葉輪的機械(xie)特性，在高流量段(duan)工🛀作時，葉輪轉速(su)和燃油流量成線(xian)性的正比關系，在(zài)低流量段工作時(shí)，葉輪轉速和燃油(yóu)流量成非線性的(de)關🌈系，流量越小，轉(zhuan)速下降得越快。供(gòng)油管路的燃油流(liú)量🈲在低流量段時(shí)，傳感🌈器葉輪的轉(zhuǎn)速會降得很低，線(xiàn)圈🈲的感應電勢Ｅ會(huì)跟着變小，即信号(hao)的電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻壓呈非線性(xing)的加速下降，這說(shuō)明傳感器已經工(gōng)作💋在非線性流量(liang)段，由于葉輪轉速(su)太低，感應的信号(hao)很弱小，在存在電(diàn)源噪聲和幹擾的(de)情況下，信号處理(lǐ)單元無法區分真(zhen)實信号和幹擾信(xìn)号，導緻燃油🏃測量(liang)不準确。
４　結束語
　　針(zhen)對燃油渦輪流量(liàng)傳感器在低流量(liang)段出現流量不準(zhun)确的故障，分析了(le)其工作原理及信(xìn)号轉換過程，建立(li)了其邏輯模型，最(zui)後，進行了故障仿(páng)真及驗證試驗。最(zui)終确定了故障原(yuan)因爲外界磁場幹(gàn)擾，排🔴除故障可考(kao)慮以下兩種措施(shī)：
１）在渦輪流量傳感(gan)器中設計電磁屏(píng)蔽結構，阻止外界(jie)電磁幹擾耦合進(jìn)線圈；
２）信号處理單(dan)元中的采用滞回(huí)比較器電路，可以(yi)過濾外界♍幹擾造(zao)成的電壓波動。

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