工程机械油耗自动化监测装置设计

杨洋 柯露露 林凤涛 李志和 史振帅

摘要：工程机械车辆油耗测量的整体设计方案中，简述装置的两个方面：设计思路及数据采集原理。其中研究设计双轴倾角传感器用于车辆燃油液位数据采集，介绍了数据采集仪，并阐述用于采集仪的主要器件的功能和特点，内置GPRS通信模块以及CLM920系列模块，为设计采集仪硬件电路提供理论依据。

关键词：油耗测量;双轴倾角传感器;数据采集仪;GPRS通信模块

前言

媒体报导，墨西哥偷油问题致使当地财政每年至少损失30 亿美元。墨西哥政府为了防止偷盗汽油行为，采取了一系列措施，首先检查加油站汽油输入输出情况，然后向输油设施派遣数千名军人，追踪炼油厂员工电话使用情况、确认输油车行驶路线等等。在国内，将油从油田运往加油站的过程中使用运油车，运油车司机会改装车辆油箱结构进行偷油。这些偷油贼瞄准油价的利润进行倒卖。油价关系国计民生，同时也涉及到社会安定，防止偷油漏油的问题亟待解决，必须设计出更加科学可靠的油耗自动化监测系统。该系统设计研发还可以解决工程机械接私活的问题，一些机械工程师在业余时间利用职业便利将价格昂贵的机器出租赚外快，对机械本身来说是一种折损，减少机械使用寿命，这些问题都很严峻，对工程机械的监管需要对自动化检测系统的模块进行优化设计，使其能更加灵敏精确地判断机械以及机械油耗的状态。

油耗监控系统设计

油耗监控系统主要的两个部分为：终端油耗监控装置、平台管理系统。终端油耗监控设备的构成：双轴倾角传感器、数据采集仪。

双轴倾角采集仪：本产品是浩坤科技自主研发生产的一款模拟电压输出的低成本双轴倾角采集仪，用户只需采集传感器的电压值就可计算出当前物体的倾斜度。通过把静态重力场的变化转换为倾角变化，通过电压方式输出，体积小、重量轻，可以满足对空间有限制的应用需求。主要用来测量物体与水平面的倾斜。具有成本低、温漂小、使用简单、抗外界干扰能力强等特点，是光伏发电、云台控制、塔杆监测等行业测量的理想选择。产品特点采用高性能工业级芯片;低功耗设计，最大限度降低功耗。采用金属外壳，保护登记IP67.金属外壳和系统安全隔离，特别适合于工控现场的应用。采用宽电源输入。稳定可靠，电源接口内置反相保护和过压保护。标准易用，采用工业端子接口，特别适合于工业现场应用。

平台管理系统主要包括CLM920系列模块，该模块是一个PCI Express Mini Card 1.2 标准的模块，基带芯片采用高通的MDM9X15，支持OS：windows/windows8/Android4.0以上等嵌入式操作系统。监控装置的工作原理：通过对双轴倾角传感器的相对百分比信号角度数据的连续采集，结合标定算法，通过角度比例换算成对应的体积信息，能够对油箱的油量变化进行监控;再配合GPRS 通信模块，将数据打包发送到指定SIM卡上。同时给服务器安装上定制的油耗监控软件系统，该软件具有将这些数据分析归类的功能，用户可以清晰掌握车辆的油耗状态。

系统的各模块选择

从车辆油耗测量系统需要的总体方案要求及设计思路出发，选择的螺纹PT100热电阻以及SLDTB小巧壓力变送器、GPRS通信模块，结合使用能够进行信号实时精确处理、转换的功能，PT100螺纹功能具有耐酸性，油箱中的油的酸性环境需要耐酸性的螺丝才能到达数据安全可靠的目的;另外选用GPRS通信模块也很重要，能够保证通信质量，并获得准确的油耗数据。

螺纹PT100热电阻的选择 本产品中的螺纹PT100热电阻/铂电阻简易实用，是工程机械中一种铂电阻/热电阻的封装形式，需要了解下面各种参数：精度、工作环境、线制、高温线、线长、直径、插深、螺纹尺寸等，主要作用于机械设备、管道内介质的测量等等需要螺纹安装的地方。PT100的三种精度选择可作参考（A级±0.15℃ B级±0.30℃ C级±0.60℃）。

SLDTB小巧压力变送器 变送器的灵敏度高、精度高、抗过载能力强。遇到电路零点和增益无需调整，SLDTB压力变送器的特点是选用进口压力芯片，敏感元件的原理采用扩赛或离子注入等加工形成电阻然后连接成惠斯通电桥，经过二次转换电路，实现两线制4–20MA输出。功能特点是稳定性好，满度、零位长期稳定性可达0.2%FS/年。在补偿温度0–70℃范围内，温度漂移低于0.2%FS，在整个允许工作范围内低于0.5%FS。结构特点外壳采用全体不锈钢一体。压力接口为M20*1.5。

内置GPRS 通信模块选择 内置GPRS通信模块，可通过移动和联通的GSM网络连接到服务器，采集到的数据以modbus rtu 格式进行传送，数据使用·03功能码主动上报，八通到数据一起传送数据主动上报，上报周期可以通过浩坤科技数采仪配置程序配置。GPRS通信链路在首次建立链接时会发送字符串（PID），字符串内容可以通过浩坤科技数采仪配置程序配置。不同的设备设置不同的字符串（PID），以此区分不同的设备。

CLM920LTE 系列模块

从以下几个方面介绍CLM920 系列产品的使用和设计，包括外部接口、电气、机械接口等，其中会出现以下缩略语，BB是连接器的缩略语，RF是傅里叶变换。

如图.1 所示为CLM920系列模块功能框图。CLM920系列模块电源接口包含两部分：3.3V为模块工作电源，VREG_USIM卡工作供电电源。CLM920系列4G模块采用单电源供电模式，供电范围为3.3V–4.2V，模块在传输数据或通话瞬时会产生峰值2A的电流，导致电源上会有一个大的波纹。该系列模块的接口支持USB2.0 高速协议，USB总线供电电压由模块内部提供，不需外部提供，支持软件下载升级，数据通讯等功能。该系列模块提供一个兼容ISO7816–3标准的USIM卡接口，但是不自带USIM 卡槽有点不便之处。

总技术标准中的模块视频特性描述包括工作频率、传导射频测量、传导接受灵敏度和发射功率，其中LTE1，UL参数1920MHZ–1980MHZ，LET3，1710MHZ–1785MHZ，另外，GSM850，UL参数为824MHZ–849MHZ，参考以上工作频率选择合适的参数匹配进行测试。其中UL为上行的缩写。

如图2 CLM920系列模块的实物外形图所示，其中长51mm，宽30.1mm，整体结构小巧精致。便于安装使用。

车辆油箱油量监管的应用其中

如果需要将车辆出租需要着重对车辆的油箱油量进行监管，租赁公司控制油箱达到监管的目的。通过对油箱的监管还可以达到以下的作用：首先是监测车辆速度、排气管温度等信息;其次是当车辆位置信息或者运行参数发生突变时将车辆位置、參数变化情况通过数据传送模块，向监控中心发送信息及警示信息。接下来是油面数据发生变化超过设定预警线时，及时发送报警信息;最后还能针对工程生产中出现的各类工况，进行模拟及数据收集分析，形成数据云模式。

结论

本文简述的油耗测量装置涉及到以下关键模块：燃油液位变化数据测量换算与GPRS通信模块，根据本文的阐述，燃油液位变化量的测取可以由双轴倾角传感器完成;在车辆行驶中，采集的油耗数据通常采用远程监测，本文采用 GPRS 通信模块实现油耗信息的远程无线传输。在国内，GPRS油耗监测装置多运用于船舶方面[1，2]，该类方向系统研究丰富，拥有很多优点：稳定性不错、适用范围广，将其运用于车辆油耗数据采集同样能得到良好的经济效应，并且油耗采集精度高、功能扩展性强、安装简便等，因此，使用车用 GPRS通信模块的设计用于工程机械油耗的应用，能实现对车辆的远程监测[3–4]。

参考文献

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