魏胜利，梅娟娟，乐起奖，梁 昱

1 引言

在动力机械领域，液体可分为导电液体和非导电液体，其中燃油属于非导电液体，而典型的导电液体有尿素溶液。在燃油喷射系统中，通过喷油脉宽精确控制燃油喷射量有利于燃烧更充分，经济性得到提高[1]。而在 SCR（SelectiveCatalyticReduction）系统中，尿素溶液的喷射量控制则很大程度上影响系统的有效性[2]。尿素溶液的喷射量过大会导致剩余的有害物质氨气排放到大气中，造成环境污染；喷射量过小则不足以催化还原排气中的NOx[3]。因此，在过程控制和提高产品性能方面，液体流量的精确检测控制十分重要[4]。

在汽车产品应用中，由于燃油和尿素导电性能的不同，测量装置在结构和工作原理等方面存在着极大的差异，这给技术的继承性和应用扩展带来了问题。对于喷油泵流量的检测，常采用测量消耗一定量燃油所需时间的方法[5]，典型的有日本的小野测器和国内湘仪的BYH燃油流量测试仪。而对于尿素泵的流量检测，通常采用基于法拉利电磁感应定律工作的电磁流量计，文献[6]通过减少励磁时间，增加励磁间隔时间设计了低功耗的电磁流量计，文献[7]则采用多电极加压力传感器的方法实现非满管流量的测量。针对目前的流量检测设备仅能测试导电液体或仅能测试非导电液体这一现状，经大量数据的验证和研究，创造性地采用FAI计量喷射单元作为标准计量泵，由于其特殊的结构设计，可实现宽适应性的流量检测。

2 检测平台总体方案分析与设计

检测平台主要可分为泵测量模块，标准计量模块，上位机控制模块三部分，其中计量模块中采用了FAI计量喷射单元，由于其线圈与液体不直接接触，使得检测平台既可以测量导电液体，也可以测量非导电液体。

图1 FAI计量喷射单元Fig.1 FAI Metering Injection Unit

FAI计量喷射单元采用电磁脉冲柱塞喷射，即通过电磁力加速电枢和柱塞并加压喷射液体实现高压喷射[8]，基本机构主要包括电磁驱动结构，柱塞泵和喷嘴总成，具有控制精度高，体积小，对喷射液体不敏感，安装维修方便等优点。

系统的设计方案，如图2所示。选择飞思卡尔MC9SO8AW60单片机作为检测平台的控制系统，控制泵喷射及标定，接收计量指令，设计手动和自动检测两种模式，实现产品开发与检验相结合。

图2 检测平台系统设计图Fig.2 Design of the Detection Platform

采用光电开关以维持液位的方式进行流量检测，即保证计量模块消耗的液体量和测量模块消耗的液体量相等，光电开关的玻璃管内径设计为5mm，固定容积50ml。上位机与控制器之间通过CAN总线进行通讯，控制器根据接收到的上位机指令以及检测到的光电信号控制相应电磁阀的开闭。

3 检测平台的实现

该流量检测平台采用美国国家仪器的LabVIEW软件进行上位机设计，通过CAN通讯实现喷射泵的自动化检测[9]。LabVIEW是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言，采用数据流编程方式，函数的执行顺序由程序框图中节点之间的数据流向决定[10]。流量检测时，上位机软件通过CAN总线将工作参数发送给工控机，检测完成后工控机再根据预先设定好的计算模块通过CAN总线将结果发送给上位机，上位机可实时监控与检测结果输出打印。

3.1 系统软件设计

程序设计中采用模块化的设计思想，具有程序框图结构清晰，便于移植和查找错误等优点。为避免数据丢失，保证数据传输过程的正确性，通过队列形式接收存储数据和状态机模式控制界面跳转。采用USB-CAN接口转换器收发CAN总线信号，在LabVIEW程序框图中通过调用库函数调用DLL数据，通过VCI-transmit函数将“发送队列”的出队列元素发送到CAN总线上；通过VCI-receive函数接收下位机发送到CAN总线的数据，并传递给“接收队列”的元素入队列函数。

针对下位机返回的应答信息，采用条件结构及元素出队列函数进行数据处理。将出队列函数传递的簇元素解除捆绑，通过连接字符串函数将八位数据帧的前三位串联，并与条件结构的分支选择器相连，从而对于不同的应答情况可以在不同的条件分支中做出相应的处理，如图3所示。最终实现自动化检测。

图3 数据处理Fig.3 Data Handling

为保证流量检测平台数据传输过程的可靠性，在事件结构中设置默认分支来处理超出范围的值，这样所有异常数据都会进行故障报警，不会造成程序错误运行。程序初步编写完成后，通过插入探针以及周立功的CAN-bus通用测试软件进行调试。

3.2 人机界面设计

根据使用频率以及功能不同将整个操作界面分为三个界面：测试界面，配置界面以及标定界面。其中测试界面为默认主界面，配置界面和标定界面为二级界面，如图4所示。整个人机交互界面友好。在测试界面中，可以进行测试产品型号的选择，测试模式的选择，设备状态以及测试结果的显示。

图4 检测平台人机交互界面Fig.4 Human-Machine Interface of the Platform

检测平台首次使用时，需先进行基本信息的配置，点击配置按钮进入配置界面，进行设备CAN编号设定，检测标准的导入和更新。由于检测设备台是通过标准计量模块在固定频率和固定脉宽下喷射液体量已知来测得待测泵的喷射量的，为保证检测设备台的精度和可靠性，需要定期对检测设备台计量模块进行重新标定。设备成功上电后，通过主界面的标定按钮进入标定界面，点击标定按钮将标定所用的喷射频率和喷射脉宽发送给工控机，通过喷射定容积的液体所消耗的时间得到计量模块的单次喷射量。在该界面可以观察到标定过程的各项工作参数情况，并将结果与上次标定结果对比，数据可靠则进行标定结果保存和设定。

4 试验验证

在所设计的检测平台上可以实现对喷射泵产品的流量特性测试，并判断产品是否合格，如图5所示。由于喷射泵的单次喷射量很小，为提高测试精度，采用多次喷射取平均值的方法进行，在下位机程序中预置喷射次数为500次，驱动电压为14.7V，通过在固定喷射频率下改变喷射脉宽获得喷射泵的流量特性。

图5 检测平台实物图Fig.5 Scene Diagram of the Platform

图6 重复性试验的流量特性曲线Fig.6 Flow Characteristic Curve

该检测平台上有配备有六套检测设备，在装有机械手臂的生产线上，通过PLC通信实现自动化生产和检测[11]，为检验该流量检测平台的稳定性和可靠性，需进行重复性试验。选择检测平台的手动检测模式，并选取FAI两种不同型号的喷射泵分别进行测试，MFUA01210901和MFUA01510801，在喷射频率60Hz下通过改变喷射脉宽进行流量特性检测，每组进行三次重复试验，测试结果，如图6所示。为分析流量检测平台测试数据的可靠性，分别采用标准差和相对极差来表示测试数据的离散程度[12]。相对极差表示

式中：xmax—检测值中的最大值；xmin—检测值中的最小值；xav—检测值的平均值；xav—极差。而标准差是一组数据平均值分散程度的一种度量，是一种不确定性的测量，在重复性试验中可代表测试数据的精度，计算公式如下所示：

式中：xi—检测值；μ—平均值；σ—标准差。

试验数据分析，如表1、表2所示。第一组测试各检测脉宽下的变异系数最大为3.61%，相对极差最大为2.59%；而第二组测试各检测脉宽下的变异系数最大为4.39%，相对极差最大为4.99%。结果表明该流量检测平台测试数据离散度小，一致性高，因此可认为该流量检测平台的检测结果稳定可靠。

表1 第一组各测试脉宽下的标准差和相对极差Tab.1 Standard Deviation and Relative Range of the First Group’s Data

表2 第二组各测试脉宽下的标准差和相对极差Tab.2 Standard Deviation and Relative Range of the Second Group’s Data

5 结论

（1）将检测平台分为泵测量模块，标准计量模块，上位机控制模块三部分，其中计量模块中创造性地采用FAI计量喷射单元，由于其线圈与喷射液体不直接接触，使得检测平台既可以测量导电液体，也可以测量非导电液体。

（2）采用LabVIEW编写检测平台的上位机程序，通过CAN总线通讯，可实时监控和储存检测结果，实现电控喷射泵的自动检测，提高流量检测的精度和效率。

（3）重复性试验结果表明，第一组测试的变异系数最大为3.61%，相对极差最大为2.59%；而第二组测试的变异系数最大为4.39%，相对极差最大为4.99%，系统的稳定性和可靠性较高，可用于装有机械手臂的生产线上实现产品泵的自动化检测。