一种由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法与流程

本发明属于小型发电机技术领域，具体涉及一种由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法。

背景技术：

小型发电机组主要由发动机、发电机和电控系统组成，发电机由发动机驱动，在电控系统的控制下将燃油的化学能转化为电能，具有广泛的应用，例如：应急用电、野外作业、灾害救治、户外生活及旅行、游艇及车辆自备电源、移动通讯基站等诸多场合。

在发电机组生产和使用过程中，常用各种燃油表来检测发电机组耗油量和油箱剩余燃油量，燃油表通常由油位传感器和油位指示表组成，油位传感器安装在油箱内部，可以测量油箱内燃油液面的高度，并将测量数据发送给油位指示表，油位指示表主要分为数字式和指针式显示表两种，一般安装在设备的操作面板上，油位指示表可以显示油箱内剩余燃油量的数值。油位指示表精度较高，但是成本较高，一般用于大型发电机组或汽车上，小型发电机组使用不够经济，通常小型发电机组仅在油箱上采用机械式的油位标尺，通过油箱顶部的窗口标尺查看油箱内的燃油液面高度，精度低，而且使用很不方便，无法满足发电机组用户在野外随时随地查看发电机组燃油量的需要。

本专利正是着眼于现有发电机组采用燃油表的不足，在发电机组内设置专用的燃油量无线监控系统，该系统最大的特点是不需要在发电机组上安装任何燃油表或油位传感器，只要将无线监控系统与发电机的功率输出端L/N线连接即可，可不改变发电机组原有的电控系统独立工作，并且无线监控系统可由发电机自身供电，无需电网、蓄电池等外部电源，具有可靠性高、成本低和改造简单的优点。在发电机启动之后该系统能对发电机组的输出电压、电流和功率等状态参数进行实时检测，根据检测到的发电机参数计算耗油量，也可以根据耗油量和发电机组的油箱容积确定剩余燃油量。此外，该系统可随时随地通过WIFI、GPRS或蓝牙等无线通信方式将检测数据发送到用户的手机、电脑以及可穿戴设备上的客户端软件，在客户端软件上就能查看发电机组的耗油量、电压、电流和功率等状态参数，极大的方便了用户使用。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

一种由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法，包括发动机、燃油油箱、发电机和监控系统，所述发电机由发动机驱动，发动机与燃油油箱相连，所述监控系统中至少包含一电流采集单元和电压采集单元，所述电流采集单元和电压采集单元连接发电机的输出端，分别对发电机的输出电流I和输出电压U进行检测，所述监控系统依据发电机的输出电流I和输出电压U计算出发电机的输出功率W，监控系统通过发电机的输出功率W和运行时间t来计算发电机的耗油量G。

进一步的，计算所述发电机的耗油量G包括以下步骤：

步骤1）通过电流采集单元和电压采集单元采集发电机的实时输出电流I和实时输出电压U；

步骤2）获取t时刻的发电机的输出电流I和输出电压U；

步骤3）计算发电机的功率 ；

步骤4）获取发电机在功率W下消耗的燃油流量Q；

步骤5）计算发电机耗油量，当在任意功率W下运行t时间时，耗油量G的计算公式为：

式中，q(W)代表发电机在功率W下消耗的燃油流量Q，q(W)是发电机功率W的函数，w(t)代表t时刻的发电机功率W，w(t)是时间t的函数；

步骤6）依据发电机的耗油量G计算燃油油箱中的剩余燃油量。

进一步的，所述步骤4）中，发电机在功率W下消耗的燃油流量Q获取方法为：

步骤4.1）测试发电机在各个功率W下消耗的燃油流量Q，获得W-Q数据点；

步骤4.3）根据W-Q数据点或者W-Q数据曲线拟合q(W)函数；

步骤4.4）计算发电机消耗的燃油流量Q=q(W)。

进一步的，基于该方法的监控系统包括发电机、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和客户端模块，其中：

所述电源模块的输入端与发电机相连，电源模块的输出端分别与数据处理模块和/或无线通信模块相连，用于为数据处理模块和无线通信模块提供电源；

所述数据采集模块包括一电压采集单元和电流采集单元，所述电压采集单元用于对发电机的输出电压U进行检测，所述电流采集单元用于对发电机的输出电流I进行检测，数据采集模块的输出端与数据处理模块相连，用于将采集到的电压和电流数据发送给数据处理模块；

所述数据处理模块由微处理器MCU构成，微处理器MCU根据数据采集模块发送过来的数据计算发电机参数，所述发电机参数包括电压U、电流I和耗油量G，并将计算得到的发电机参数发送给无线通信模块；

所述无线通信模块的接收端与数据处理模块相连，无线通信模块的发送端通过无线通信方式连接客户端模块，用于将发电机参数以无线通信的方式发送给客户端模块；

所述客户端模块包括安装有客户端软件的移动通讯设备、电脑或可穿戴设备；

所述电源模块、数据采集模块、数据处理模块和无线通信模块设置在发电机上。

进一步的，所述无线通信模块与客户端模块之间通过WIFI、GPRS或蓝牙方式中的任意一种进行无线通信，将发电机参数通过客户端软件显示在移动通讯设备、电脑或可穿戴设备上。

进一步的，所述电源模块由整流桥、反激式变压器和开关电源芯片构成，电源模块首先将发电机输出的交流电通过整流桥转换为直流电，再将该直流电的电压通过反激式变压器和开关电源芯片处理成数据处理模块或/和无线通信模块或/和其他电路可用的供电电压。

进一步的，所述电压采集单元通过一差分电路将发电机输出电压处理成适合微处理器MCU进行AD采样的电压信号，将信号送入微处理器MCU采样。

进一步的，所述电流采集单元通过一电流传感器检测发电机输出电流，将电流信号转化为电压信号，经过运放处理、差分取样及滤波生成适合微处理器MCU进行AD采样的电压信号，将信号送入微处理器MCU采样。

进一步的，该系统还包括一执行模块，所述执行模块由继电器和继电器驱动电路构成，用于控制发动机启停，执行模块与数据处理模块相连接，用于通过客户端模块向无线通信模块发送关机或开机指令时，执行模块对发动机进行熄火或启动动作，使发电机停止或开始工作。

进一步的，所述客户端模块中的客户端软件根据运行时间和状态显示发电机的警告和/或维修保养和/或故障帮助信息。

本发明的有益效果是:

本发明在发电机组内设置燃油量无线监控系统，该监控系统不需要在发电机组上安装任何燃油表或油位传感器，利用本发明方法即可计算出发电机组的耗油量，从而计算出剩余燃油量，达到监控燃油量的目的，并且只需将无线监控系统与发电机的功率输出端L/N线连接即可，可不改变发电机组原有的电控系统独立工作，并且燃油无线监控系统可由发电机自身供电，无需电网、蓄电池等外部电源，具有可靠性高、成本低和改造简单的优点；在发电机启动之后该系统能对发电机组的输出电压、电流和功率等状态参数进行实时检测，根据检测到的发电机参数计算耗油量，也可以根据耗油量和发电机组的油箱容积确定剩余燃油量；此外，本发明可随时随地通过WIFI、GPRS或蓝牙等无线通信方式将检测数据发送到用户的手机、电脑以及可穿戴设备上的客户端软件，在客户端软件上就能查看发电机组的耗油量、电压、电流和功率等状态参数，极大的方便了用户使用。

附图说明

图1是本发明实施例一的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法结构框图;

图2是本发明的无线监控系统发电机参数计算和监控方法的示意图;

图3是某种发电机组的W-Q数据曲线和通过数值拟合所得燃油流量函数q(W)的曲线图;

图4是本发明实施例一的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法电源模块的电路原理图;

图5是本发明实施例一的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法电压和频率采集单元的电路原理图;

图6是本发明实施例一的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法电流采集单元的电路原理图;

图7是本发明实施例一的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法数据处理模块的电路原理图;

图8是本发明实施例一的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法执行模块的电路原理图;

图9是本发明实施例二的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法结构框图;

图10是本发明实施例三的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法结构框图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

本发明提供3种实施方案：

1、实施例一：

本实施例所述发电机为电励磁同步发电机或多极永磁发电机，前者为传统的小型发电机组，后者为代表小型发电机组发展方向的逆变发电机组或直流充电发电机组，发电机与发动机曲轴输出端相连，在发动机的驱动下输出电能，所述发动机为汽油、柴油或燃气发动机。但是显然本实施例所述的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法并不受发电机组种类的限制，在太阳能发电、风能发电以及人力发电领域也可以应用。

如图1至图8所示，本实施例所述的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法主要包括：发动机、发电机、电源模块、数据采集模块、数据处理模块、执行模块、无线通信模块和客户端模块，所述电源模块、数据采集模块、数据处理模块、执行模块和无线通信模块设置在发电机上。

本实施例的由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法可以独立工作，只要与发电机的功率输出端L/N线连接即可，无需外部电源，具有结构简单，可靠性高的优点。由于该监控系统与发电机自身的电控系统不发生联系，不存在兼容性问题，可广泛应用于各种类型的发电机组，例如电励磁发电机组或逆变发电机组。

如图1和图4所示，所述电源模块的输入端与发电机相连，电源模块的输出端与数据处理模块和无线通信模块相连，电源模块用来为数据处理模块和无线通信模块提供电源。所述电源模块主要由整流桥、反激式变压器和开关电源芯片构成，电源模块首先将发电机输出的交流电通过整流桥转换为直流电，再将该直流电的电压通过反激式变压器和开关电源芯片处理成数据处理模块、无线通信模块和其他电路可用的供电电压。即该由发动机驱动的发电机燃油量无线监控系统和方法由发电机自身供电，无需外部电源或蓄电池。

如图4所示，该电源模块的工作原理及过程如下：

1、发电机发出的交流电经过保险丝F1及整流桥整流为直流电压，RVSA1 NTC电阻起到启动过程中限制C7充电电流的做用，防止整流桥损坏。

2、整流后的直流电压通过反激式变压器及TNY288PG开关电源芯片进行处理，TNY288PG从R1、R2、R3取电启动及工作。

3、开关电源工作时，反激式变压器次级耦合出恒定的7V电源，D4及U6等构成反馈回路。

4、U1将7V电压转为5V供比较器、电流传感器使用。

5、U2将5V电压转为3.3V供MCU和运放、无线通信模块等芯片和电路使用。

如图1所示，所述数据采集模块主要包括电压采集单元和电流采集单元，在本实施例中数据采集模块中还包括一频率采集单元，频率采集单元用于对发电机输出电压的频率进行检测，同时在需要时，数据采集模块中也可设置一个温度采集模块，温度采集模块用于采集发电机的温度，电压采集单元对发电机的输出电压U进行检测，电流采集单元对发电机的输出电流I进行检测，数据采集模块的输出端与数据处理模块相连，将采集到的电压、电流和频率数据发送给数据处理模块。如图1和图7所示，所述数据处理模块主要由微处理器MCU、复位电路、外部存储芯片和晶振电路等组成，主要用来根据采集数据计算发电机的电压U、电流I、频率、功率W和耗油量G等参数，并将计算得到的发电机参数发送给无线通信模块。

如图1和图5所示，所述电压采集单元通过差分电路将发电机输出电压处理成适合微处理器MCU进行AD采样的电压信号，将信号送入微处理器MCU采样。电压信号经过比较器比较产生与发电机电压频率相同的方波信号，供MCU采样计算频率。如图1和图6所示，所述电流采集单元通过电流传感器检测发电机输出电流，将电流信号转化为电压信号，经过运放处理和外围电路差分取样及滤波生成适合微处理器MCU进行AD采样的电压信号，将信号送入微处理器MCU采样。

如图2所示，所述数据处理模块负责发电机功率W和耗油量G的计算，发电机功率W由数据处理模块的微处理器MCU根据发电机电压U和电流I计算获得，其计算公式为：。数据采集模块实时采集发电机电压U和电流I，一般电压U和电流I总是随时间t在不断变化的，因此微处理器MCU所计算出的功率W是时间t的函数，即W=w(t)，式中w(t)就是功率函数。在具体计算时，微处理器MCU先计算一个周期内电压U和电流I的均方根值，然后计算电压U和电流I均方根值的乘积，即可得到发电机功率W。

所述数据处理模块的微处理器MCU根据发电机功率W和运行时间t计算发电机的耗油量G，当在任意功率W下运行t时间时，耗油量G的计算公式为：

式中，q(W)代表发电机在功率W下消耗的燃油流量Q，q(W)是发电机功率W的函数，w(t)是t时刻的发电机功率W，w(t)是时间t的函数。

如图2和3所示，测试发电机组在各个功率W下消耗的燃油流量Q可以获得该发电机组的W-Q数据曲线，通过曲线拟合可以获得燃油流量函数q(W)，微处理器MCU根据该发电机组的燃油流量函数q(W)即可计算得到任意功率W下发电机组消耗的燃油流量Q，然后再将燃油流量Q对运行时间t求积分，即可得到运行时间t内的发电机耗油量。

如图3所示，发电机组的W-Q数据曲线由实验获得，从发电机组怠速（W=0）开始，按照0.5kW的功率增加间隔对发电机加载，直至达到发电机组的最大功率，测量各个功率W下发电机实际消耗的燃油流量Q可以获得该发电机组的W-Q数据曲线，但是受到测试环境和误差的影响，W-Q数据曲线一般波动都较大，而且为离散点，无法直接用来计算任意功率W下的燃油流量Q，必须根据得到的W-Q数据点通过数值拟合获得燃油流量函数q(W)，微处理器MCU可以根据燃油流量函数q(W)来计算各个功率W下的燃油流量Q。

如图1所示，所述无线通信模块与数据处理模块相连，无线通信模块可以与客户端模块之间进行双向无线通信，主要用来将发电机参数以无线通信的方式发送给客户端模块，以及以无线通信的方式接受客户端模块发出的关机指令，客户端模块主要包括安装有客户端软件的用户手机、电脑或可穿戴设备等。

所述无线通信模块与客户端模块之间通过WIFI、GPRS或蓝牙等方式中的任意一种进行双向无线通信，将采集和计算得到的电压、电流、频率、功率和耗油量等发电机参数通过客户端软件显示在用户手机或电脑或可穿戴设备上，方便用户实时查看发电机运行状态。当用户距离发电机较近时，利用WIFI或蓝牙技术，用户的手机、电脑或可穿戴设备可以直接与发电机上的无线通信模块相连，二者直接进行无线通信。当用户距离发电机较远时，用户的手机、电脑或可穿戴设备可以通过路由器或基站等与无线通信模块相连，二者可进行远程无线通信，此时发电机通过无线通信模块可以与远程服务器或云平台相连，可以将采集到的数据发送给远程服务器或云平台进行查看、储存和分析计算。

当用户将燃油加满油箱后，根据油箱容积和发电机的耗油量G可以计算出油箱剩余的燃油量，用户可以在手机、电脑或可穿戴设备等终端的客户端软件上方便的查看油箱剩余燃油量，及时为发电机补充燃油，防止发电机组因燃油耗尽而停止工作。

基于采集到的发电机运行时间和功率等参数，所述客户端模块中所安装的客户端软件能够根据运行状态显示发电机的警告、维修保养信息和故障帮助信息，发现和解决用户使用发电机过程中遇到的问题。例如，当发现采集到的发电机功率超过额定功率时，软件会发出过载警告。当运行时间达到维修保养规定的时期时，软件提醒用户尽快对发电机进行维修保养，例如更换发动机机油、清洗空滤和更换火花塞等。当遇到发动机无法启动、发电机无法正常工作等问题时，用户可以通过查看软件中的帮助信息排除故障。

如图1和8所示，所述执行模块主要由继电器和继电器驱动电路构成，执行模块与数据处理模块相连，通过客户端软件向发电机组发送关机（或开机）指令时，数据处理模块接收无线通信模块的关机（或开机）信号，计算处理后向执行模块发出关机（或开机）指令，执行模块对发动机进行熄火（或启动）操作，使发电机组停止（或启动）工作，这样一来，用户不必接近发电机组，就可以远程关闭（或开启）发电机，用户使用和操作都非常方便。

综上所述，本发明通过独立的数据采集模块对发电机电压、电流和频率等参数进行实时采集，经过数据处理模块的计算处理得到发电机功率和耗油量等参数，通过无线通信模块以WIFI等无线通信方式将发电机参数发送到用户的手机、电脑和可穿戴设备等终端设备上，用户在客户端软件上即可方便的查看发电机运行参数，不必靠近发电机，用户就可以随时随地掌握发电机的运行状态，极大的方便了用户使用，改善了用户体验。本发明的电源模块、数据采集模块、数据处理模块、执行模块和无线通信模块自成一体，该系统仅与发电机的L、N输出端相连，可独立完成监测任务，结构简单，改造方便，可靠性高。由于与发电机自身的电控系统不发生联系，不存在兼容性问题，可广泛应用于各种类型发电机组，例如电励磁同步发电机组或逆变发电机组等。

由于本发明是通过采集到的发电机功率和运行时间来计算发电机耗油量，因此无需在燃油油箱上安装燃油传感器或油位传感器，节约了成本，简化了结构，提高了系统可靠性。

此外，本发明还设置了执行模块，用户通过客户端软件可实现远程关机功能，大大改善了人机交互界面。除此之外，本发明的客户端软件还可以根据发电机运行时间和状态，显示发电机的警告、维修保养和故障帮助等信息，大大降低了用户使用发电机的难度，提高了用户使用的安全性和舒适性。

2、实施例二：

如图9所示，与实施例一相比，本实施例的主要区别在于：本实施例的数据采集模块内嵌于发电机控制器中，并且数据采集模块与数据处理模块之间采用电力线载波的技术进行信号传输。

电力线载波是一种比较成熟的通信技术，它是利用已有的电力导线，在发送端将需要传输的数据信号进行调制，然后将其耦合进入电力导线，在接收端进行解耦和解调，将数据信号从电力线分离出来，从而实现利用电力线传输数据信号的目的。

本实施例中的控制器是指发电机自身的电控单元，对于逆变发电机来说，就是逆变器，数据采集模块内嵌于逆变器中，这样可以共用逆变器中已有的电压、电流和频率采集单元，实现逆变器和监控系统数据采集共享。这样以来，逆变器外部就无需再为本发明的监控系统设置专用的数据采集模块，降低系统成本。利用电力线载波技术将采集到的电压、电流和频率等发电机参数通过发电机的L、N输出端发送给数据处理模块，数据采集模块与数据处理模块之间只需用L/N电力线相连，无需其他信号线，简化了连接结构。

逆变发电机组和直流充电发电机组多采用多极永磁发电机，多级永磁发电机与发动机曲轴输出端相连，在发动机的驱动下输出中频交流电，对于逆变发电机，逆变器通过采用开关电源的整流、稳压和逆变技术，将多级永磁发电机输出的中频交流电转换成电压稳定的工频交流电。但是，本发明的应用并不受发电机种类的限制，显然本发明也可用于其他类型的发电机组，例如各种有刷或无刷的电励磁同步发电机组或直流充电发电机。

3、实施例三：

如图10所示，与实施例一相比，本实施例的主要区别在于：本实施例的数据采集模块和数据处理模块都内嵌于发电机控制器中，数据处理模块与无线通信模块之间采用信号线连接，电源模块只为无线通信模块供电。

本实施例中的控制器是指发电机自身的电控单元，对于逆变发电机来说，就是逆变器，数据采集模块内嵌于逆变器中，这样可以共用逆变器中已有的电压、电流和频率采集单元，实现逆变器和监控系统数据采集共享，降低系统成本。数据处理模块内嵌于逆变器中，这样可以共用逆变器中已有的MUC及其外围电路，实现数据处理模块的共享，使得系统成本进一步降低。

这样以来，逆变器外部就无需再为本发明的监控系统设置专用数据采集模块和数据处理模块，大大降低系统成本，无线通信模块与逆变器中的数据处理模块之间需要用专用的信号线连接。

逆变发电机组和直流充电发电机组多采用多极永磁发电机，多级永磁发电机与发动机曲轴输出端相连，在发动机的驱动下输出中频交流电，对于逆变发电机，逆变器通过采用开关电源的整流、稳压和逆变技术，将多级永磁发电机输出的中频交流电转换成电压稳定的工频交流电。但是，本发明的应用并不受发电机种类的限制，显然本发明也可用于其他类型的发电机组，例如各种有刷或无刷的电励磁同步发电机组或直流充电发电机。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。