０引言
　　流量是現(xiàn)代工業(yè)測量過程中的一個重要參數(shù)，渦輪流量傳感器渦輪轉子輕、慣性小，因此測量精度高、量程范圍寬、重復性與動態(tài)特性好［１］。因此，各國的發(fā)動機試車臺多使用渦輪流量傳感器測量發(fā)動機燃油流量［２］。渦輪流量傳感器屬于速度式流量儀表，當被測流體流過傳感器時，在流體作用下，葉輪受力而旋轉，轉速與管道內流體流速成正比，葉輪轉動后周期性地改變磁電轉換器的磁阻值，檢測線圈中的磁通隨之發(fā)生周期性變化，產生周期性的感應電勢，即電脈沖信號［３］，流量傳感器輸出的脈沖信號頻率代表流量大小，流量與信號頻率在一定區(qū)間內近似成線性關系［４］。無人機燃油消耗量屬重要參數(shù)，測量意義重大，有利于正確飛行方案，有效提高載油利用率［５］。在進行無人機燃油流量檢查過程中，發(fā)動機在低速狀態(tài)下開車，燃油流量測量不準確。本文主要對此故障進行仿真分析及試驗驗證。
１測量原理　
１.１工作原理由于葉輪的葉片與流向有一定角度，當燃油沖擊渦輪轉子時，流體的沖擊作用產生推動力矩，克服流量傳感器支撐軸承與轉子之間的機械摩擦力矩以及由于流體粘性作用產生的液體阻力之后使轉子開始運動［１］，渦輪流量傳感器結構原理如圖１所示。

　　在葉輪上的磁鐵產生磁場，固定在傳感器內部的線圈組件處于磁場中，如圖２所示，當燃油通過傳感器內腔后，燃油的流速驅動葉輪旋轉，帶動葉輪上的磁鐵旋轉，此時線圈組件感應的磁通量也周期發(fā)生變化。

根據(jù)電磁感應原理，線圈的磁通量發(fā)生變化，相應產生感應電勢：

Ｎ為線圈的匝數(shù)，ΔΦ為磁通量變化，ΔＴ為變化時間。因此，燃油流過渦輪流量傳感器時，線圈會產生周期變化電壓，即葉輪轉動一圈，就會感應出一個正弦信號，葉輪連續(xù)轉動，就會周期的產生正弦信號。經(jīng)過信號處理轉換為脈沖信號，渦輪流量傳感器穩(wěn)定運行輸出的脈沖頻率與流經(jīng)流量傳感器的流量理論關系如下［６］：

Ｑ為通過渦輪流量傳感器的體積流量（Ｌ／ｓ），ｆ為脈沖信號頻率（Ｈｚ），ｋ為儀表系數(shù)（１／Ｌ）。
　　信號處理單元主要實現(xiàn)交流信號處理及數(shù)據(jù)通信，首先將交流信號轉為脈沖信號，其次單片機控制器通過光耦電氣隔離采集并計算脈沖頻率，依據(jù)標定的流量和頻率關系計算相應燃油流量，最后將數(shù)據(jù)寫入串口通信模塊，經(jīng)由電氣接口發(fā)至機載計算機。
１.２信號轉換及處理
　　渦輪流量傳感器中的葉輪旋轉時，線圈周期產生幅值為數(shù)十毫安至數(shù)百毫安的微小交流信號，經(jīng)過第一級運算放大器將微小交流信號進行放大并限幅，消除幅值為負的信號。再經(jīng)過第二級比較器，比較電壓為零，輸入電壓大于零時，輸出高電平，否則輸出低電平，即將交流信號轉換為脈沖信號。脈沖經(jīng)過光耦進行電氣隔離，電信號單向傳輸，由單片機采集光耦信號輸出的通斷頻率，即為原始信號頻率值，再通過預先標定的頻率與流量關系，計算可得原始信號對應的燃油流量，信號轉換過程如圖３所示。

　　在渦輪流量傳感器標定試驗臺中進行傳感器標定，針對主流量點（１００Ｌ／ｈ、１５０Ｌ／ｈ、３００Ｌ／ｈ、６００Ｌ／ｈ）輸入相應流量的燃油流經(jīng)渦輪傳感器，使用頻率采集設備測量脈沖頻率，并輸入的流量與采集到的頻率相關聯(lián)，得到表１中標定結果。
２故障現(xiàn)象通過地面電源為設備上電后，發(fā)動機在低轉速狀態(tài)下開車，在地面控制站人機交互界面查看到燃油流量在５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ跳動，已經(jīng)超過傳感器實際測量范圍，此時理論值：

應為８０Ｌ／ｈ～１００Ｌ／ｈ。通過分析飛參記錄設備中的數(shù)據(jù)，得到圖４中曲線。

　　由曲線可以看出，在發(fā)動機未起動時，燃油流量為０Ｌ／ｈ，故障未出現(xiàn)；在發(fā)動機起動至最低轉速時，燃油流量出現(xiàn)異常，在５００Ｌ／ｈ～１５００Ｌ／ｈ隨機跳動；在轉速達到最大轉速時，燃油流量為２６０Ｌ／ｈ，故障消失。
通過分析燃油渦輪流量傳感器工作原理及現(xiàn)場環(huán)境，出現(xiàn)上述故障原因可能為外界磁場耦合進渦輪流量傳感器線圈，使得原始微小交流信號混入干擾信號，且此時信噪比較低，干擾信號起主導作用，信號處理單元將混入干擾的信號處理后計算得到的頻率較高，由脈沖頻率與燃油流量成線性對應關系，即會出現(xiàn)較大的燃油流量。
３建模仿真及驗證
３.１建模仿真
　　為進一步分析故障原因，根據(jù)渦輪流量傳感器的信號轉換過程建立邏輯模型，在不同頻率段加入頻率為５０Ｈｚ的外界干擾，查看脈沖頻率變化情況。
將表１中數(shù)據(jù)擬合為線性函數(shù)，得到如下燃油渦輪流量傳感器產生脈沖的頻率和燃油流量的關系：

燃油流量產生的微小交流信號為：
假定外界電磁干擾作用于渦輪流量傳感器產生的干擾為：
渦輪傳感器線圈輸出信號為：
限幅后的信號為：
轉換為脈沖信號：Ｍａｘ為脈沖幅值。
　　基于ｓｉｍｕｌｉｎｋ建立燃油渦輪流量傳感器的邏輯模型，如圖５所示。由于Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ可以用連續(xù)或離散狀態(tài)方程描述動態(tài)系統(tǒng)模塊，因此，渦輪流量傳感器線圈磁－電轉換、波形限幅、交流轉脈沖等模塊基于Ｍ－ｆｉｌｅ模板編寫Ｓ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ來實現(xiàn)［７－８］。

　　分別設定理論燃油流量為表１中標定的下限１００Ｌ／ｈ和上限６００Ｌ／ｈ，渦輪流量傳感器信號輸出及脈沖輸出如圖６所示。

　　仿真結果表明，在低流量時，渦輪流量傳感器原始微小交流信號過零比較處，脈沖頻率較高，且幅值不穩(wěn)定。而在高流量時，脈沖信號頻率與真實信號頻率相近，幅值穩(wěn)定。
仿真結果與故障現(xiàn)象一致，初步推斷渦輪流量傳感器故障原因為外界磁場干擾。
３.２　
　　驗證試驗為確定故障原因，在燃油測試臺中進行驗證試驗，設定供給至渦輪流量傳感器的燃油真實流量為９０Ｌ／ｈ，通過繼電器控制外置線圈通／斷電，頻率為５０ Ｈｚ，模擬外界電磁干擾，分別用兩臺示波器檢測到渦輪流量傳感器線圈輸出信號和脈沖輸出信號，如圖７所示。
　　試驗結果表明，在未加入外界干擾時，原始微小交流信號及脈沖信號電氣特性良好，脈沖最高幅值穩(wěn)定，光耦可以正常通／斷，單片機計算得出脈沖信號頻率值。而加入外界干擾后，原始信號出現(xiàn)明顯畸變，幅值在２２ｍＶ左右，轉換脈沖信號最高幅值不穩(wěn)定 （１.７Ｖ～１.０Ｖ），且最低幅值亦有突變，導致光耦出現(xiàn)異常通／斷，最終導致單片機計算出的頻率較真實圖７線圈輸出波形及脈沖轉換波形頻率較高，在５００Ｌ／ｈ～１　５００Ｌ／ｈ之間跳動。

　　經(jīng)進一步分析，由于葉輪的機械特性，在高流量段工作時，葉輪轉速和燃油流量成線性的正比關系，在低流量段工作時，葉輪轉速和燃油流量成非線性的關系，流量越小，轉速下降得越快。供油管路的燃油流量在低流量段時，傳感器葉輪的轉速會降得很低，線圈的感應電勢Ｅ會跟著變小，即信號的電壓呈非線性的加速下降，這說明傳感器已經(jīng)工作在非線性流量段，由于葉輪轉速太低，感應的信號很弱小，在存在電源噪聲和干擾的情況下，信號處理單元無法區(qū)分真實信號和干擾信號，導致燃油測量不準確。
４　結束語
　　針對燃油渦輪流量傳感器在低流量段出現(xiàn)流量不準確的故障，分析了其工作原理及信號轉換過程，建立了其邏輯模型，最后，進行了故障仿真及驗證試驗。最終確定了故障原因為外界磁場干擾，排除故障可考慮以下兩種措施：
１）在渦輪流量傳感器中設計電磁屏蔽結構，阻止外界電磁干擾耦合進線圈；
２）信號處理單元中的采用滯回比較器電路，可以過濾外界干擾造成的電壓波動。

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