CN108845002A - 一种甲醇汽油浓度检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种甲醇汽油浓度检测装置及方法。检测装置包括测量模块、信号处理模块和显示模块。其中测量模块由圆弧形电容式传感器构成，圆弧形电容式传感器放置在甲醇汽油混合燃料中；信号处理模块由电容‑电压电路、飞思卡尔单片机、RS232串口电路以及CAN总线通信电路组成，信号处理模块将甲醇浓度信号，经电容‑电压电路的转换以及单片机的处理，通过串口发送给显示模块并通过CAN总线通信电路与总控制系统进行通信；显示模块动态地显示当前甲醇汽油混合燃料中甲醇的浓度。本发明能够快速而精确地测量甲醇汽油混合燃料中甲醇的浓度，并能实时地显示这一浓度信息。
Description
技术领域
本发明涉及甲醇浓度检测，具体涉及一种甲醇汽油混合燃料甲醇浓度的检测装置及方法。
背景技术
燃用甲醇汽油混合燃料的新能源汽车，可以使用甲醇汽油，也可以在补加油料时添加纯汽油，燃油供给方式较为灵活，但需要根据车内混合燃料中甲醇的实际浓度来动态改变发动机的燃料喷射量，以保证汽车的动力性。实时准确的检测混合燃料中甲醇的浓度，为汽车ECU动态改变发动机的燃料喷射量提供了参考依据。
在现有加注甲醇汽油混合燃料的新能源汽车上，通常由驾驶员感知当前汽车动力状况，并人工调节发动机的燃料喷射量，这极易造成燃料的浪费以及发动机的损伤。
甲醇浓度检测装置利用不同甲醇浓度混合燃料的介电常数存在一定差异的性质，通过一对平板(极板)构成的电容式传感器对混合燃料中的甲醇浓度进行检测。尽管能够为燃料喷射量的调节提供参考依据，但由于检测结果精度较差，无法有效的在保证汽车动力的同时，减少燃料不必要的消耗。
发明内容
为解决甲醇汽油混合燃料中甲醇浓度的测量精度不足的问题，本发明提供了一种甲醇汽油浓度检测装置及方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种甲醇浓度检测装置，该检测装置包括测量模块，所述测量模块包括电容式传感器，所述电容式传感器采用弧形极板。
优选的，所述弧形极板包括由金属铜制成的本体以及均匀覆盖于该本体表面的耐腐蚀的绝缘材料(例如绿油)层，该绝缘材料层的厚度为0.05-0.1mm。
优选的，所述电容式传感器包括两个相对的弧形极板，弧形极板的形状为弧度为120°的圆弧面，弧面内径为10mm，弧形极板的长度(即极板两弧形边缘之间的距离)和厚度分别为80mm和0.5mm，两个弧形极板的最大间距为10mm。
优选的，所述电容式传感器设置于待测混合燃料汽车的喷油管中，所述喷油管包括用于安装弧形极板的区段，该区段的内径为20mm，长度为100mm(长于弧形极板长度，便于基板安装，也提高了检测精度)。
优选的，所述弧形极板沿所述喷油管中心轴线对称布置，两个弧形极板的内凹侧相对，弧形极板的外凸侧与所述喷油管内壁之间通过尼龙安装支架固定。
优选的，所述检测装置还包括信号处理模块及显示模块，所述信号处理模块包括电容-电压转换电路、单片机、显示接口电路以及双CAN总线通信电路；所述电容-电压转换电路包括依次相连的振荡器、限幅放大器和鉴频器，振荡器与所述电容式传感器相连，鉴频器、显示接口电路以及双CAN总线通信电路分别与单片机相连，显示模块包括与显示接口电路相连的触摸屏。
一种甲醇浓度检测方法，包括以下步骤：
1)将上述电容式传感器置于待测混合燃料汽车的喷油管中；
2)利用所述电容式传感器对喷油管中混合燃料的甲醇浓度进行测量，利用上述电容-电压转换电路将电容式传感器的测量结果转换为电压信号；
3)利用上述单片机根据电压信号计算甲醇浓度，然后利用上述双CAN总线通信电路输出到汽车CAN总线上。
优选的，所述步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)首先利用上述振荡器和电容式传感器将混合燃料的甲醇浓度转换为对应频率的振荡信号；
2.2)利用上述限幅放大器对振荡信号进行整形，消除高频干扰信号；
2.3)利用上述鉴频器将步骤2.2)得到的经过整形的振荡信号转换为电压信号，该信号的大小反映了甲醇的浓度。
优选的，所述步骤3)还包括以下步骤：同时利用上述显示接口电路及触摸屏对甲醇浓度进行显示。
本发明的有益效果体现在：
本发明采用弧形极板构成的电容式传感器，有效增加了极板面积，具有更好的测量灵敏度，不仅可以实时准确的检测混合燃料中甲醇的浓度，还提高了甲醇浓度检测精度，可以为汽车ECU动态改变发动机的燃料喷射量提供更准确的参考依据，有效地实现了在保证汽车动力的同时，减少了燃料不必要的消耗。本发明采用电容-电压转换电路对电容式传感器的测量结果进行信号处理，可以获得精确的甲醇浓度信号。
进一步的，本发明提出的电容-电压转换电路，采用振荡、整形、鉴频功能模块实现对甲醇浓度信号的检测，提高了检测精度。
进一步的，本发明提出的显示接口电路以及双CAN总线通信电路，可以实现甲醇浓度的实时显示以及为汽车控制系统(ECU)提供准确、及时的甲醇浓度信息。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明所述的电容式传感器的弧形极板(电极)的结构示意图；
图3为本发明所述的弧形极板(电极)的侧面示意图；
图4a为本发明所述的信号处理模块的电路图；
图4b为本发明所述的鉴频器、限幅放大器及振荡器的电路图；
图5为本发明所述的双CAN总线通信电路的示意图；
图6为电容式传感器与汽车原装喷油管的连接方式示意图；
图7为电容式传感器在喷油管内的安装示意图；
图中：1为安装有电容式传感器的喷油管区段；2为保留的汽车原装喷油管区段；3为喷油管；4为电容式传感器；5为支架；6为导线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
参见图1，本发明所述甲醇浓度检测装置由上位机和下位机组成，所有检测功能均是由下位机控制完成，然后再传给上位机进行显示输出。下位机检测混合燃料中甲醇的浓度，并对浓度信号进行处理，根据处理后的信号计算甲醇浓度并发送给上位机；上位机接收下位机的信号并显示甲醇浓度信息，所述上位机与下位机通过ModBus协议进行通讯。
所述上位机由显示模块组成，显示模块采用昆仑通态触摸屏，触摸屏内置MCGS嵌入式组态软件，能够实时地显示当前混合燃料中甲醇的浓度。下位机由测量模块和信号处理模块组成。所述触摸屏接收信号处理模块所发出的甲醇浓度信息，并实时显示混合燃料中甲醇的浓度信息。所述信号处理模块获取(利用测量模块)、处理甲醇浓度信号，并输出甲醇浓度信息。
所述测量模块包括圆弧形电容式传感器4，所述圆弧形电容式传感器4在实际使用时，传感器完全放置在喷油管3中。参见图6，传感器的安装方法为：将汽车原装喷油管3的一段截断，将内部固定有传感器的一段管道接在截断后形成的喷油管3缺口处，使传感器固定在汽车喷油管3中间位置。当汽车发动机喷油时，所述圆弧形电容式传感器4会完全浸没在甲醇汽油混合燃料当中。
所述信号处理模块包括电容-电压转换电路，电容-电压转换电路对甲醇浓度信号进行转换。信号处理模块还包括飞思卡尔单片机，飞思卡尔单片机对模拟电压信号进行数字化转换，依据电压-浓度公式计算甲醇浓度并显示，然后根据浓度-脉宽公式计算展宽宽度，用于依次控制喷油信号，同时启动CAN总线进行通讯。信号处理模块还包括RS232串行接口电路，RS232串行接口电路作为上位机与下位机通信的接口电路(显示接口电路)。信号处理模块还包括双CAN总线通信电路，双CAN总线通信电路用于信号处理模块与汽车总控制系统之间的通讯，有效提高了系统通讯的可靠性。
参见图2、图3以及图7，所述圆弧形电容式传感器4包括一对相对放置的极板。所述极板的材料为金属铜，两极板表面均匀覆盖绿油作为绝缘材料，两个极板相背侧(外侧)用四根尼龙材料(尼龙对甲醇具有很好的抗腐蚀性)的圆柱体支架5固定在喷油管3内壁。所述极板的外形为圆弧形(即沿周向截取的部分圆柱面)，向外凸出，其弧度为120°，其长度为80mm，弧面直径为10mm，厚度为0.5mm，两极板最大间距为10mm(由弧形极板构成的电容传感器称为圆弧形电容式传感器，通过有效增加极板面积，具有更好的测量灵敏度)。所述圆弧形电容式传感器4放置于汽车喷油管3中。所述汽车喷油管3放置传感器的区段为单独制作，其内径为20mm，长度为100mm。每个极板均引出一个导线6，其材质为金属铜，导线表面全部覆盖绿油。
圆弧电极的电容模型如下所示：
式中，c为电容值，ε为甲醇汽油的介电常数，由甲醇浓度决定。由上式可以看出，电容值与介电常数成正比。
参见图4a，所述电容-电压转换电路包括振荡器、限幅放大器以及鉴频器。所述圆弧形电容式传感器4两极板通过导线6分别接入振荡器，所述振荡器与限幅放大器相连接，所述限幅放大器与鉴频器相连接，所述鉴频器与飞思卡尔单片机相连接，所述飞思卡尔单片机与RS232串行接口电路相连接。所述触摸屏通过一个九针的串口线DB9与RS232串行接口电路相连接。所述飞思卡尔单片机选型为MC9S12XEP100。所述RS232串行接口电路选用MAX232作为核心器件，MAX232外围通过配置4个1uF的电容C1、C2、C3、C4，用于稳定发射接收信号。
参见图4b，由芯片555和电阻RA、RB及圆弧电容C(对应圆弧形电容式传感器)组成了振荡电路。输出波形周期T由RA、RB和圆弧电容C决定：
T＝0.7*(RA+2RB)*C
限幅放大器中，由运放OP07组成阻抗变换电路。
由电阻R1、R2、R6及电容C1、C2、C4组成滤波电路，由电阻R3、电容C3组成振幅比较电路。
模拟电压信号由LM331的1脚输出。R5、C3组成充电电路，R3、R4组成分压电路。
参见图5，所述甲醇浓度检测装置安装在汽车上，利用CAN总线通信电路与汽车ECU总控系统通信。由于MC9S12XEP100具有5路CAN模块，为了提高抗干扰能力采用了双CAN通讯方式，采用TJA1050用于CAN驱动，同时配置了120欧姆的匹配电阻用于消除终端反射。
上述甲醇浓度检测装置的检测原理为：
在实际测量中，圆弧形电容式传感器4完全浸没在甲醇汽油混合燃料中，同时圆弧形电容式传感器4的两个极板接入到电容-电压转换电路的振荡器回路中，参见图4a、图4b。检测装置通电后，振荡器会对圆弧形电容式传感器4进行充放电而产生周期振荡，混合燃料中甲醇的浓度不同，则相应的介电常数、电容不同，振荡器所产生的振荡信号的频率也不同。振荡信号通过电容-电压转换电路中的限幅放大器进行整形，整形后的信号通过鉴频器被转换为电压信号，这一电压信号为模拟信号。模拟电压信号发送到飞思卡尔单片机，由飞思卡尔单片机将模拟电压信号转换为数字信号，依据电压-浓度公式计算出甲醇浓度，并通过RS232串行接口电路发送给触摸屏，触摸屏收到信号后显示甲醇浓度信息。
总之，本发明结构设计合理，功能划分明确。各功能模块相互协调配合，能够精确、快速地检测混合燃料中的甲醇浓度，并能实时地显示浓度信息。
Claims (9)
1.一种甲醇浓度检测装置，其特征在于：该检测装置包括测量模块，所述测量模块包括电容式传感器(4)，所述电容式传感器(4)采用弧形极板。
2.根据权利要求1所述一种甲醇浓度检测装置，其特征在于：所述弧形极板包括由金属铜制成的本体以及均匀覆盖于该本体表面的耐腐蚀的绝缘材料层，该绝缘材料层的厚度为0.05-0.1mm。
3.根据权利要求1所述一种甲醇浓度检测装置，其特征在于：所述电容式传感器(4)包括两个相对的弧形极板，弧形极板为弧度为120°的圆弧面，弧面内径为10mm，弧形极板的长度和厚度分别为80mm和0.5mm，两个弧形极板的最大间距为10mm。
4.根据权利要求1所述一种甲醇浓度检测装置，其特征在于：所述电容式传感器(4)设置于待测混合燃料汽车的喷油管(3)中，所述喷油管(3)包括用于安装弧形极板的区段，该区段的内径为20mm，长度为100mm。
5.根据权利要求1所述一种甲醇浓度检测装置，其特征在于：所述弧形极板沿所述喷油管(3)中心轴线对称布置，弧形极板的外凸侧与喷油管(3)内壁之间通过尼龙安装支架(5)固定。
6.根据权利要求1所述一种甲醇浓度检测装置，其特征在于：所述检测装置还包括信号处理模块及显示模块，所述信号处理模块包括电容-电压转换电路、单片机、显示接口电路以及CAN总线通信电路；所述电容-电压转换电路包括依次相连的振荡器、限幅放大器和鉴频器，振荡器与所述电容式传感器(4)相连，鉴频器、显示接口电路以及CAN总线通信电路分别与单片机相连，显示模块包括与显示接口电路相连的触摸屏。
7.一种甲醇浓度检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将电容式传感器(4)置于待测混合燃料汽车的喷油管(3)中，电容式传感器(4)采用弧形极板；
2)利用电容式传感器(4)对喷油管(3)中混合燃料的甲醇浓度进行测量，将电容式传感器(4)的测量结果转换为电压信号；
3)根据电压信号计算甲醇浓度，然后输出到所述汽车的CAN总线上。
8.根据权利要求7所述一种甲醇浓度检测方法，其特征在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：
2.1)首先利用振荡器和电容式传感器(4)将混合燃料的甲醇浓度转换为对应频率的振荡信号；
2.2)利用限幅放大器对振荡信号进行整形；
2.3)利用鉴频器将经过整形的振荡信号转换为电压信号。
9.根据权利要求7所述一种甲醇浓度检测方法，其特征在于：所述步骤3)还包括以下步骤：同时对甲醇浓度进行显示。
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