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磁致伸缩技术在内燃机车燃油液位传感器上的应用

来源:拿度科技 浏览量: 时间:2022-09-26 15:13

  

      铁道部“十一五”期间全路节能 总体目标是铁路单位运输收入能耗 比“十五”期末降低20% ,节能管理 迈上新台阶。机车燃油消耗是机务 段成本支出的重头,约占运营成本 的70%左右,各段在燃油管理方面 一直在不断改进管理措施,从燃油 的“储、发、领、用”等环节进行控制。 在“用”的环节上,对运用中机车燃 油位置的测量是燃油管理的基础。在对液位高度测量的方法中, 有20世纪80年代出现的液位计量 法、20世纪90年代出现的压力和差压变送器测量 法以及由这两种方法相结合的混合测量法等。这 些测量方法不但投入设备资金较大,而且很难与运 行中的机车相适应。随着磁致伸缩技术在传感器 上的应用与发展,因其具有高精度、耐腐蚀、抗振动 等特点,为机车燃油的监测提供了先进的手段。
       磁致伸缩是指一些金属(如铁或镣)在磁场作 用下具有的伸缩能力。磁致伸缩量是非常微小的, 一般的镣铁合金是30 ppmo现在科学界已设计出 更新的物质,将磁致伸缩量提升至1 500 ppm以上。 磁致伸缩液位传感器由外管、波导丝、电子部分、阻 尼单元和可移动永久磁铁5个主要部分组成(见图 Do外管部分是耐腐蚀、耐工业恶劣环境的产品材 料;波导丝是磁致伸缩性材料;电子部分产生电流 脉冲信号和接收应变脉冲;阻尼单元则是抑制底端 机械振动和杂波。
       磁致伸缩的原理并不复杂,它利用两个不同的 磁场相交时产生的一个应变脉冲信号,然后计算出 这个信号被探测所需的时间周期,从而换算出准确 的位置。这两个磁场一个来自活动磁铁,另一个则 来自由传感器的电子部件产生的电流脉冲。这个 被称为“询问信号”的脉冲沿着传感器内磁致伸缩 材料制造的波导丝以声音的速度运行。当两个磁 场相交时,波导丝发生磁致伸缩现象,产生一个应 变脉冲。这个被称为“返回信号”的脉冲很快便被 感测电路探测到。从产生询问信号到返回信号被 探测到所需的时间周期乘以固定的声音速度,便能 准确地计算出磁铁的位置变化。这个过程是连续 不断的,所以每当活动磁铁被带动时,新的位置很 快就会被感测出来。由于输出信号是一个真正的 绝对值,而不是比例的或需要再放大处理的信号, 所以不存在信号漂移或变值的情况,更不必像其他 类型位移传感器一样需要定期重新标定。
       磁致伸缩液位传感器是将磁铁固 定于浮子中,液面的移动引起浮子的移动。
磁致伸缩液位传感器
3磁致伸缩液位传感器在机车上的安装
       为克服机车在运行中燃油波动而造成的测量 误差,传感器在安装时选择了燃油箱顶部的中间位 置,如图3所示。以DF4型机车为例,考虑到机车 运行中的安全性,安装传感器时,从燃油箱顶部的 人孔盖处“并列内置”两个传感器。传感器上部与 人孔盖相连接,下部直接与燃油箱底部相接触,有 效地防止了因机车晃动而产生的传感器振动。采 用“内置”方式安装,较原设计时拟釆用的从燃油箱 油表处“侧挂”方式安装,既消除了机车运行中对走 行部安全带来的不利因素,更重要的是避免了油箱 与传感器之间由于油位涌动引起瞬时真空造成的 压力差,测量效果大大提高。“并列内置”两个相同 的传感器,其中任何一个做为备份使用,正常情况 下数据采用两个传感器的平均值。当一个传感器 发生故障时,由于两个传感器园处于油箱的中间位 置,另一个传感器仍可正常工作,增强了系统的可 靠性。
4液位传感器测量数据的处理方法
4.1基本数据的测量
     根据现场安装环 境需要,烏的长度可变。液位测量是由磁致伸缩液位传感器给出的脉 宽周期信号经过计算得到。如图5所示,其中,1为 激励脉冲,2为液体液面浮子返回脉冲。令脉冲沿波导管传播的速度为公,计数脉冲的 脉宽为匸。激励脉冲与液面浮子返回脉冲之间计 数脉宽个数为0,对应的长度为烏:
4.2测量数据的濾波处理
       为消除机车运行中因油箱内油位的波动造成 的测量误差,对基本数据采取了“滚动滤波”的方 法。在油箱内对称装入了两个传感器,对其分别采 集液位数据,并保存最近31次的采集数据,分别进 行滚动滤波。其具体方法如下。
       设31次的数据按时间先后顺序存储在数组x [0"?30] : *[O]"?x[3O],每新采集一次数据,按堆栈 方式将前一个数据去掉,然后将后30个数据前移, 新数据放在虹30]中。引入新的数组y[O-3O] = x [0-30],按冒泡方法对这31个数据按从小到大进 行排序。设排完序的新数组为z[0“?30],取中间
11个数,即z [ 10…20],求其平均,即 S'0 z[i]/ll ,就是传感器测得的液面高度。I = 10若设两个传感器一次计算得到的两个液面高 度分别为Z1 =虹20孫[门/11和Z2 =I = 10S20 ,宀["/11测将两个液面高度进行平均处 I = 10理,即(Z1 + Z2 )/2,这个值就是所求液面高度。由于原始数据中存有历史数据,并且总是让最 新的数据进入到序列中,所以数据中总有信息,而 另存排序是为了滤除由于油面波动引起的数据波 动。最后对数据平均是应付油面微小波动引起的 误差。整个数据处理过程是随时间滚动的,所以称 滚动滤波。
5结语
       以磁致伸缩液位传感器为基础,通过与计算机 接口连接,编写分析软件,我们已研制出了内燃机 车燃油消耗分析系统。该系统对采集到的数据进 行分析,实时地显示机车存油量、加油量、耗油率、 柴油机运行参数等技术信息。通过无线传输,在机 务段就可以随时查询和显示机车燃油的瞬时单耗、 本班耗油量和累计耗油量等数据,方便地绘制出柴 油机工况曲线、燃油消耗动态曲线、不同机车燃油 单耗的对比图等,为燃油管理、节支降耗、机车检修 等提供了科学的管理手段和依据。


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