一种船用超声波油耗测量装置的制作方法

1.本发明涉及油耗测量技术领域，更具体地说，它涉及一种船用超声波油耗测量装置。


背景技术：

2.船舶运输是世界大宗货物贸易的主要方式，以其运输能力大、费用低的优势，在交通行业中有着不可替代的作用。随着船舶营运业务量的增加、燃油价格持续飙升、排放法规升级等，船舶的航行状态、耗能状况、排放物等在线监测与数据的自动采集就显得尤为重要，通过对船舶能效状况、航行及装载状态等进行智能评估及优化，不断提高船舶能效管理水平，从而降低船舶营运成本。
3.要对船舶耗能状况进行在线监测与数据采集，那瞬时耗油量测量便为最重要的步骤，当前油耗测量仪器多样，主要有：燃油箱油耗仪、数显多功能油耗仪，燃油箱油耗仪是应用超声波测量对油箱内的油位高度或燃油质量进行测量分析，数显多功能油耗仪是一种以微电脑为核心的智能仪器，配接容积式油耗传感器，用于船舶航行、发动机台架及整车道路的耗油量测试；这两种常用的耗油量测量方式存在明显弊端，当船舶在航行途中，由于风浪、冲滩、靠港等操作会引起油位、燃油质量存在误差，导致瞬时油耗数据不准确，从而计算得出的燃油消耗与实际相比误差较大；数显多功能油耗仪设备复杂、成本较高，且容积式油耗传感器同样存在瞬时油耗数据精度低的问题；且二者均受被测流体压力、粘度和密度等热物性参数影响，应用场景存在一定局限性。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是针对现有技术的上述不足，本发明的目的是提供一种船用超声波油耗测量装置，可以准确对在航行船舶的瞬时油耗数据进行监测、获取。
5.本发明的技术方案是：一种船用超声波油耗测量装置，包括进油流量计、回油流量计、回油流量计接口can线、进油流量计接口can线、船端数据采集单元，所述进油流量计安装在油柜与船舶主机之间的进油管，所述回油流量计安装在油柜与船舶主机之间的回油管，所述进油流量计与回油流量计结构相同，所述进油流量计包括相隔布置的第一超声波油耗传感器、第二超声波油耗传感器，以及电性连接所述第一超声波油耗传感器、第二超声波油耗传感器的控制模块，所述进油流量计的控制模块通过进油流量计接口can线通信连接船端数据采集单元，所述回油流量计的控制模块通过回油流量计接口can线通信连接船端数据采集单元；
6.所述第一超声波油耗传感器的发射探头发射超声波到指定位置，并反射到第二超声波油耗传感器的接收探头，所述第二超声波油耗传感器的发射探头发射超声波到所述指定位置，并反射到第二超声波油耗传感器的接收探头，所述控制模块通过在第一超声波油耗传感器、第二超声波油耗传感器之间采用时差法测量流量；
7.在同一时刻，船端数据采集单元通过进油流量计监测进油管的流量，通过回油流
量计监测回油管的流量，并将进油管的流量与回油管的流量做差值计算得到船舶主机该时刻所消耗的燃油量。
8.作为进一步地改进，通过减少温度变化引起的测量误差，以及超声波传播时间的测量误差来修正油耗数据。
9.进一步地，温度变化引起的测量误差包括：声路长度l误差、管路直径误差、声路角误差；
10.通过在管路排空状态下进行测量声路长度l，以及通过卷尺或卡尺测量管径粗细来减少声路长度l误差；
11.通过高精度测量仪器选取多个测量面作为对象，取平均值补充圆度来减少管路直径误差；
12.通过经纬仪测量声路角来减少声路角误差。
13.进一步地，通过对超声波信号进行筛选、滤波得到完整的超声波信号，以及提高计时脉冲的频率来减少超声波传播时间的测量误差。
14.进一步地，根据燃油的流动状态计算燃油流速修正系数。
15.进一步地，采取计时电路的方法进行修正第一超声波油耗传感器、第二超声波油耗传感器之间超声波传播时间。
16.进一步地，所述进油流量计还包括电性连接所述控制模块的显示器。
17.进一步地，所述控制模块支持4-20ma的模拟信号输出。
18.进一步地，所述船端数据采集单元设有将数据无线传输至船岸采集单元的无线模块。
19.有益效果
20.本发明与现有技术相比，具有的优点为：
21.本发明的船用超声波瞬时油耗测量装置可以更稳定、更准确的监测出船舶瞬时油耗数据，避免了瞬时油耗数据受到油位、燃油质量、被测流体压力、粘度和密度等相关参数的影响，且船端油耗采集单元可通过无线通信将实时数据传输至船岸采集单元，对船舶能效管理领域，船舶油耗数据在线监控领域具有重要意义。
附图说明
22.图1为本发明的结构示意图；
23.图2为本发明中时差法超声波流量计测量示意图；
24.图3为本发明中相移调制锁相环原理图。
25.其中：1-进油流量计、2-回油流量计、3-回油流量计接口can线、4-进油流量计接口can线、5-船端数据采集单元、6-电气箱、7-油柜、8-船舶主机、9-进油管、10-进油管、a-第一超声波油耗传感器、b-第二超声波油耗传感器。
具体实施方式
26.下面结合附图中的具体实施例对本发明做进一步的说明。
27.参阅图1、2，一种船用超声波油耗测量装置，包括进油流量计1、回油流量计2、回油流量计接口can线3、进油流量计接口can线4、船端数据采集单元5，进油流量计1安装在油柜
7与船舶主机8之间的进油管9，回油流量计2安装在油柜7与船舶主机8之间的回油管10，进油流量计1与回油流量计2结构相同，进油流量计1包括相隔布置的第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b，以及电性连接第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b的控制模块，进油流量计1的控制模块通过进油流量计接口can线4通信连接船端数据采集单元5，回油流量计2的控制模块通过回油流量计接口can线3通信连接船端数据采集单元5。
28.进油流量计1还包括壳体、电性连接控制模块的显示器，壳体套接在油管上，从而将图2中的第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b固定在油管上。第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b、控制模块、显示器安装在壳体内，显示器为液晶显示器，用于现场读数。控制模块还支持4-20ma的模拟信号输出，用于电流信号的采集。
29.船端数据采集单元5设有将数据无线传输至船岸采集单元的无线模块，无线模块为can总线转无线模块。船端数据采集单元5分别通过进油流量计接口can线4、回油流量计接口can线3采集进油流量计1、回油流量计2中的流量数据并解析得到瞬时油耗数据，再通过can总线可传输至船岸采集单元，完成整个船舶航行中瞬时油耗的监测及采集工作。
30.具体的，第一超声波油耗传感器a的发射探头发射超声波到指定位置，并反射到第二超声波油耗传感器b的接收探头，第二超声波油耗传感器b的发射探头发射超声波到指定位置，并反射到第二超声波油耗传感器a的接收探头，控制模块通过在第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b之间采用时差法测量流量。优选的，定位置在第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b之间中位线(对称线)上。传感器上发射探头发射的超声波经过一段时间到达接收探头，当超声波发射探头和接收探头距离一定以及发射探头发射超声波角度一定时，通过测量发射探头传输到接收探头所花费的时间，从而计算出被测介质的体积流量，如图2所示。
31.在同一时刻，船端数据采集单元5通过进油流量计1监测进油管9的流量，通过回油流量计2监测回油管10的流量，并将进油管9的流量与回油管10的流量做差值计算得到船舶主机该时刻所消耗的燃油量。
32.优选的，通过数据采集单元5的处理，去掉最小及最大数据，或经过求取各瞬时点数据的均值后输出消耗的燃油量，避免油耗不准确情况。
33.一、油耗数据修正方法
34.燃油流量计算公式如下：
[0035][0036]
式中，q为流量，d为直径，li为声路长度，t
abi
为超声波传播从第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b的时间，t
bai
超声波传播从第二超声波油耗传感器b、第一超声波油耗传感器a的时间，ki：各截面的权重系数，可由gauss-jacobi积分确定；
[0037][0038]
式中，ξi——相对声路高度，mm；
[0039]
θ：超声波传播方向与燃油流向的夹角，度；tg(αi)：正切声路角，
°
。
[0040]
由式(1)可以看出，当接收探头的超声波换能器与被测燃油固定位置保持不变时，燃油流量计算结果与超声波传播时间的测量误差和燃油管路的测量精度有关。
[0041]
通过减少温度变化引起的测量误差，以及超声波传播时间的测量误差来修正油耗数据。
[0042]
1、由温度变化引起的测量误差包括：声路长度l误差、管路直径误差、声路角误差。
[0043]
可以通过在管路排空状态下进行测量声路长度l，以及通过卷尺或卡尺测量管径粗细来减少声路长度l误差，管径粗细指的是管的外径用于计算声路长度l。通过高精度测量仪器选取多个测量面作为对象，取平均值补充圆度来减少管路直径误差，管路直径是指管的内径。通过经纬仪或其他角度测量仪器测量声路角来减少声路角误差。
[0044]
超声波流量计探头在管道外部安装，它直接测量的是管道内流体的流速，流量是流速与管道流通面积的乘积，而其管道面积和声道长度都是使用者由主机手工输入或者的管道参数计算出来的或者使用的流量计自带管道参数范围，这些参数的准确与否直接影响到测量结果。管道参数的获取最好是用实际测量的方法，用查取设计图纸资料和问询熟悉情况人员的方式都可能出现差错，因为实际的施工情况往往和设计的参数有出入，管道的制造偏差有时也是不可忽略的，使用一段时间的管道壁厚等参数也会随时间发生不小的变化。
[0045]
实际测量管道参数也要注意方式方法的合理性，测量用的量具和仪器要经过校准。测量管道外径要注意管道外防护层以及外表层的锈蚀脏污对测量可能造成的影响。在小管径上使用超声波流量计进行流量测量时，管道内径输入不准确所引起的误差更是不容忽视，例如：内径测量的绝对误差同样是1毫米，那么对dn1000管线来说其内径相对误差为0.1％；而对dn100管线来说其内径相对误差为1.0％。
[0046]
流量是与内径的平方(管道内径面积)成正比的，同样是1毫米的内径测量误差对dn1000管线所带来的流量测量误差仅有约0.3％，而对于dn100管线所带来的流量测量误差却有约3％，所以超声波流量计使用管道口径越大，测量越容易准确，管线口径越小，测量越难把握。
[0047]
流量是与内径的平方(管道内径面积)成正比的，同样是1毫米的内径测量误差对dn1000管线所带来的流量测量误差仅有约0.3％，而对于dn100管线所带来的流量测量误差却有约3％，所以超声波流量计使用管道口径越大，测量越容易准确，管线口径越小，测量越难把握。
[0048]
管路截面面积的测量误差取决于管路内外径的测量准确度。管路横截面积为：
[0049][0050]
式中，s表示面积，d表示直径，对式(2)求导，根据误差传递公式有：
[0051][0052]
因此，管道截面面积测量误差δs为：
[0053][0054]
式中，δd由超声波流量计输入参数的位数确定，为常量。因此，管道截面面积与管
道内部直径成反比，即管道内径更小的测量误差反而更大。通过三维坐标法可将燃油管道参数化，再根据圆柱面进行拟合运算即可得到准确的几何参数。
[0055]
2、通过对超声波信号进行筛选、滤波得到完整的超声波信号，以及提高计时脉冲的频率来减少超声波传播时间的测量误差。
[0056]
具体的，在超声波流量计中，超声波信号是获取管道内部燃油流速的唯一源头。要得到精确的传播时间，首先需要保证超声波信号的完整性。在实际测量中，燃油内部杂质、系统的电子噪声以及安装环境的电磁干扰都会对超声波信号产生影响。因此，需对超声波信号进行筛选、滤波，得到完整的超声波信号。
[0057]
超声波的传播时间由系统技术脉冲的计数值确定。为了提高时间测量的精确度，可提高计时脉冲的频率。当对时间测量的精度要求达到ns或更高时，需将计数脉冲的频率提升到ghz以上，此时计数器的位数大幅增加，进而造成硬件成本过高。因此需根据实际工况要求选取合适的计数器位数。
[0058]
二、流量修正系数计算
[0059]
1、根据燃油的流动状态计算燃油流速修正系数。
[0060]
由于燃油流经管道是各截面的速度分布有所差别，在进行流量计算时需对燃油的流速加以修正。
[0061][0062][0063]
式中，
[0064]
q——流量，m3/s；
[0065]
d——直径，m；
[0066]kq
——流量修正系数；
[0067]
——截面的平均流速，m/s。
[0068]
由流体力学内容可知，当雷诺数re《2300时，燃油的流动状态属于层流状态，此时燃油的流速为；
[0069][0070][0071]
式中，δp——截面之间的压差，kpa；
[0072]
r——燃油管道内部半径，m；
[0073]
l——传感器a,b之间的直线安装距离，m(声路长度)；
[0074]
μ——燃油的流动粘度，m2/s。
[0075]
此时的修正系数为：
[0076][0077]
当re》4000时，燃油的流动状态为紊流状态，此时燃油截面是对数曲面。通过紊流
光滑管道的实验曲线可知，紊流光滑区的流速分布为：
[0078][0079]
式中，——距离管道中心距离为x的燃油平均流速和管道中心处最大燃油流速，m/s。
[0080]
σ由re确定：
[0081][0082][0083]
当2300《re《4000时，此时燃油的流动状态为过度状态，修正系数可采用经典公式进行计算：
[0084]kq
＝1.119-0.0111lgreꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(13)
[0085]
2、采取计时电路的方法进行修正第一超声波油耗传感器a、第二超声波油耗传感器b之间超声波传播时间。
[0086]
超声波传播时间t
ab
、t
ba
的测量精度，可采取计时电路的方法进行修正：
[0087][0088][0089]
式中，t
fab
、t
fba
——超声波换能器a、b从接收到控制器信号到发射超声波信号的时间差，s；
[0090]
t
jab
、t
jba
——超声波换能器a、b接收到超声波信号并激发处理电路的耗时，s；
[0091]
t
yab
、t
yba
——信号在两个电路中的其他延时，s。
[0092]
修正后的传播时间差为：
[0093][0094]
将超声波换能器的位置交换之后：
[0095][0096]
由式(16)、(17)可知，超声波换能器的位置发生变化时，得到的时间差也发生变化。通过改变两个电路的通道可以使得(t
yba-t
yab
)＝0，进而消除了电路的其他延时误差。
[0097]
t
fab
、t
fba
、t
jab
、t
jba
可通过相移键控技术缩小误差。该技术通过硬件电路实现超声波信号的相位检测，采用相移调制技术得到超声波同步信号。具体的技术流程如图3所示。
[0098]
鉴相器通过比较超声波信号与标准信号的相位，并将相位差输出至滤波器。滤波器过滤误差电压中干扰成分，过滤后的信号耦合至压控振荡器，使输出信号频率接近标准信号。当输出信号与标准信号相同时，锁相环转换到锁定工况。当超声波接收到的信号相位发生变化时，锁相环的锁定状态失效，此时电路再次重复该过程。
[0099]
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些都不会影响本发明实施的效果
和专利的实用性。