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(lái)是鐵路運(yùn)營(yíng)的主要成本之一。然而，如按目前全額配給即“凡入庫(kù)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(wú)法滿足鐵路深化改革以及體制改變可能帶來(lái)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(wú)功消耗、長(zhǎng)交路輪乘制等等，但是，最重要的因素是我們無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)車油耗的實(shí)時(shí)監(jiān)控以及由此帶來(lái)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(wèn)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(wú)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(cè)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(duì)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(wú)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(wèn)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(cè)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(cè)壓差通過(guò)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(cè)量。全316L不銹鋼材質(zhì)。電氣部分與檢測(cè)部分通過(guò)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(cè)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(wú)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(lái)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(duì)安全性的要求很高。對(duì)采集器安全性的要求主要解決下面兩個(gè)問(wèn)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(cè)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(huì)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(chǔ)→RTC激活配置）→無(wú)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(hào)的濾波方法

（1）軟件濾波：為了可靠地采集到被測(cè)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(wú)線模塊的電源；可以供給和切斷鐵電存儲(chǔ)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(cè)的壓強(qiáng)應(yīng)該是線性關(guān)系，但實(shí)際上無(wú)法做到完全線性。我們對(duì)每只傳感器都進(jìn)行了標(biāo)定，對(duì)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(duì)測(cè)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(cè)密度的同時(shí)，對(duì)溫度也進(jìn)行測(cè)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(cè)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社 2005年9月出版）相比，對(duì)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(qǐng)?zhí)枺?01110122222.7；類別：實(shí)用新型；名稱：直接測(cè)量車用燃油油耗量的綜合測(cè)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(qǐng)?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(rùn)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(qǐng)?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(guó)華；公告日期：1986.10.29.