張兆海，高洪波，周先鵬，張銀峰，王 鑫

（空軍預(yù)警學(xué)院，湖北 武漢 430000）

引 言

節(jié)溫器是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)中的溫控裝置，是一種自動(dòng)控制冷卻液是否流過散熱器、調(diào)節(jié)冷卻強(qiáng)度的熱力閥。感溫組件根據(jù)當(dāng)前冷卻液溫度調(diào)節(jié)閥門的開啟與關(guān)閉，控制進(jìn)入散熱器的水量，從而調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)的散熱能力，令水溫保持在最佳狀態(tài)，使發(fā)動(dòng)機(jī)在適宜的溫度范圍內(nèi)工作。節(jié)溫器必須保持良好的技術(shù)狀態(tài)，否則會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的正常工作[1]。

現(xiàn)在普遍使用的石蠟機(jī)械式節(jié)溫器的安全壽命為50 000 km[2]，為確保發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需要定期對(duì)節(jié)溫器進(jìn)行性能檢測。目前，常用的節(jié)溫器檢測方法有兩種。一種是將節(jié)溫器拆下放入盛有水的器皿中加熱，使用溫度計(jì)測量開始開啟和完全打開時(shí)的溫度，使用游標(biāo)卡尺測量節(jié)溫器全開時(shí)的閥門升程（形變量）[3]。該測量方法需要目測判斷節(jié)溫器是否處于開始開啟和完全開啟狀態(tài)，由于引入人為判斷的因素，測量穩(wěn)定性較差；測量數(shù)據(jù)僅包括節(jié)溫器最大升程及對(duì)應(yīng)的溫度，無法測量節(jié)溫器在各溫度下的對(duì)應(yīng)升程值，性能檢測數(shù)據(jù)不完備，檢測結(jié)果不可靠；使用游標(biāo)卡尺測量時(shí)需將節(jié)溫器從水中撈出，操作不便，特別是在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)習(xí)教學(xué)工作中，學(xué)員操作不熟練，存在一定的燙傷安全隱患；測量過程中節(jié)溫器離開水面使得溫度存在一定下降，導(dǎo)致閥門因溫度降低而回縮，測量不準(zhǔn)確，精度較低。另一種方法是就機(jī)檢測，在啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下通過觀察冷卻水溫度變化判斷節(jié)溫器性能[4]。該方法優(yōu)點(diǎn)是無需拆裝節(jié)溫器，實(shí)施較為簡便；缺點(diǎn)是只能定性判斷節(jié)溫器對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度的影響，無法進(jìn)行定量測量并準(zhǔn)確檢測節(jié)溫器性能，而且容易導(dǎo)致誤判斷，不能完全確定故障原因是由節(jié)溫器導(dǎo)致。

為克服上述檢測方法的缺陷，本文提出一種基于激光測距技術(shù)的非接觸式溫度同步實(shí)時(shí)檢測方法，通過溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測節(jié)溫器溫度，通過激光測距方法實(shí)時(shí)測量距離變化，獲取節(jié)溫器在各個(gè)溫度值下對(duì)應(yīng)的閥門升程值，同時(shí)自動(dòng)獲取節(jié)溫器開啟和閉合溫度，可以準(zhǔn)確、安全、便捷地對(duì)節(jié)溫器性能進(jìn)行檢測，適用于發(fā)動(dòng)機(jī)日常維修及教學(xué)實(shí)踐工作。

1 節(jié)溫器工作原理

當(dāng)冷卻液溫度低于設(shè)定值時(shí)，節(jié)溫器感溫體內(nèi)的石蠟呈固態(tài)，主閥在回位彈簧的作用下關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)與散熱器間的通道，副閥開啟，冷卻液經(jīng)水泵返回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行小循環(huán)。當(dāng)冷卻液溫度達(dá)到設(shè)定值后，石蠟開始融化、膨脹，迫使膠管收縮對(duì)推桿產(chǎn)生向上的推力。由于推桿上端固定，因此，推桿對(duì)膠管和感溫體產(chǎn)生向下的反推力使主閥門開啟，副閥關(guān)閉。這時(shí)冷卻液經(jīng)節(jié)溫器主閥進(jìn)入散熱器，并由散熱器經(jīng)水泵流回發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行大循環(huán)[5]，其工作原理如圖1所示。一般節(jié)溫器主閥正常開始開啟溫度是68～85 ℃，完全打開時(shí)溫度比開始開啟溫度高8～12 ℃。全開時(shí)升程為8～12 mm，最小不低于7 mm。如果節(jié)溫器不能在設(shè)定溫度值正常開啟，或者處于常開狀態(tài)無法關(guān)閉，都會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作性能產(chǎn)生極大影響。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)溫器工作原理Fig. 1 Working principle of engine thermostat

2 檢測原理

2.1 激光測距原理

相位法激光測距的原理是半導(dǎo)體激光器從發(fā)射端發(fā)射某一頻率周期變化的調(diào)制光波，發(fā)出的光波到達(dá)被測目標(biāo)后入射光波反射回去，在接收端處接收光波的回波，通過相位鑒相器比較接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差來求出相位延遲數(shù)值，利用已知的調(diào)制信號(hào)頻率間接測量出激光飛行所需要的時(shí)間，從而換算得到目標(biāo)物的距離[6]。相位激光測距法在非合作目標(biāo)時(shí)測距較短，通常為幾十米范圍，但其使用固定連續(xù)的調(diào)制信號(hào)，功率小，測量精度高達(dá)1 mm[7]。節(jié)溫器檢測實(shí)際測量距離為0.5 m左右，對(duì)測量距離要求較低，閥升程為8～12 mm，測量精度要求達(dá)到毫米量級(jí)，因此采用相位法激光測距符合檢測要求。

2.2 節(jié)溫器閥升程測量原理

將節(jié)溫器垂直放置于專用鏤空支架上，閥座與支架接觸并固定，副閥朝上，并連同支架一起整體放置于盛有冷水的量杯中加熱，隨著水溫變化，節(jié)溫器主、副閥可自由上下伸縮。激光測距模塊通過專用支架，垂直倒置懸掛于離地面約0.8 m處，激光由上向下發(fā)射并照射在副閥平整處，從而測得激光器與副閥之間的距離，測量原理如圖2所示。

圖2 節(jié)溫器閥升程測量原理Fig. 2 Measurement principle of thermostat valve lift

以Arduino單片機(jī)為控制單元，通過加入防水測溫模塊實(shí)時(shí)獲取測量距離及水溫值。在溫度低于開啟溫度時(shí)選取某一溫度T0作為起始溫度，同時(shí)測得當(dāng)前激光器與副閥距離D0。隨著水溫逐漸升高，節(jié)溫器閥向上移動(dòng)，激光器與副閥間距離值減小。因主、副閥相對(duì)距離始終保持不變，副閥升高距離值即為主閥升程，實(shí)時(shí)測量獲取各溫度值Tt及對(duì)應(yīng)距離Dt，則任一溫度Tt下節(jié)溫器閥的升程為

由此可見，通過激光測距及同步溫度測量不但可以獲得節(jié)溫器閥開始開啟時(shí)的溫度值以及完全開啟狀態(tài)時(shí)的溫度值和升程，還可以獲得任一溫度下節(jié)溫器閥的升程值。距離測量過程為非接觸式測量，無需從水中取出節(jié)溫器，因此該檢測方法具有測量精度高，操作過程安全、便捷的優(yōu)點(diǎn)。

需要注意的是，相位法激光測距是通過比較接收信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的相位差（實(shí)際光程差[8]）來求出相位延遲數(shù)值，從而換算出目標(biāo)距離值。由于水的折射率約為1.33，空氣折射率約為1.0，光在水中傳播速度減慢，光程增大[9]。因此在測量過程中應(yīng)當(dāng)確保節(jié)溫器副閥高于水面，否則會(huì)因?yàn)楣庠谒袀鞑サ墓獬瘫葘?shí)際距離偏大而引入測量誤差。假設(shè)水面高出副閥距離為dh，光線往返dh的光程為Sh，空氣折射率為n0，水的折射率為n1，測量誤差為ε，則有

由式（3）可知，測量誤差ε與dh成正比，約為2dh/3，因此在測量過程中應(yīng)當(dāng)確保副閥略高于水面，避免引入測量誤差。

3 檢測系統(tǒng)

依據(jù)上述檢測原理，以Arduino開發(fā)板為主控制器開發(fā)制作節(jié)溫器檢測系統(tǒng)，并制作專用節(jié)溫器支架以及檢測裝置專用支架。檢測系統(tǒng)主要由Arduino開發(fā)板、激光測距模塊、溫度測量模塊、OLED顯示屏模塊、按鍵控制模塊、觸摸開關(guān)傳感器、電源模塊組成，如圖3所示。

圖3 節(jié)溫器檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure diagram of thermostat testing system

激光測距模塊負(fù)責(zé)獲取距離信息，精度為1 mm，溫度測量模塊用于獲取水溫值，精度為0.1 ℃，OLED顯示屏模塊用于同步顯示距離值、溫度值及對(duì)應(yīng)溫度下的升程值（圖4）。按鍵控制模塊用于切換裝置工作狀態(tài)，在開始測量前需要使用激光器找準(zhǔn)副閥平整處位置，因此需要通過按鍵開關(guān)開啟激光器用于瞄準(zhǔn)，測量過程中需要在主閥開始開啟前選定初始溫度值T0及對(duì)應(yīng)初始距離值D0，添加觸摸開關(guān)用于觸發(fā)初始值、升程值記錄程序，將初始值與升程值于顯示屏實(shí)時(shí)顯示。使用觸摸開關(guān)是為保證測量精度，若使用按鍵開關(guān)，在初始值記錄時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致儀器抖動(dòng)，使得記錄的初始值與真實(shí)初始值之間出現(xiàn)偏差，從而引入測量誤差。為更加直觀地觀測測量結(jié)果，可以通過USB-TTL模塊將檢測儀與計(jì)算機(jī)進(jìn)行串口通信，通過上位機(jī)顯示實(shí)時(shí)測量數(shù)據(jù)并繪制曲線。

圖4 節(jié)溫器檢測系統(tǒng)實(shí)物圖Fig. 4 Photo of thermostat testing system

4 實(shí)驗(yàn)及分析

4.1 節(jié)溫器升程-溫度曲線及溫度穩(wěn)定性測量

實(shí)驗(yàn)使用解放J6重型卡車節(jié)溫器，選取一個(gè)可正常工作的節(jié)溫器，重復(fù)10次升溫和降溫過程并記錄每次不同升程值對(duì)應(yīng)的溫度值，以升程值為基準(zhǔn)，每個(gè)升程值對(duì)應(yīng)的溫度值為10組數(shù)據(jù)，對(duì)獲得的10組原始數(shù)據(jù)取平均值作為最終數(shù)據(jù)，并通過求得10組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差反映節(jié)溫器在不同升程下對(duì)應(yīng)溫度值的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)選取初始記錄水溫75 ℃，測量初始距離531 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，均值擬合曲線如圖5所示。

表1 解放J6節(jié)溫器溫度穩(wěn)定性測量Tab. 1 Temperature stability test of Jiefang J6 thermostat

圖5 解放J6節(jié)溫器升程-溫度關(guān)系曲線（單個(gè)節(jié)溫器溫度穩(wěn)定性測量擬合）Fig. 5 Relation curve between lift and temperature of Jiefang J6 thermostat（fitting from temperature stability test of single thermostat）

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見，檢測系統(tǒng)可準(zhǔn)確檢測節(jié)溫器閥門開始開啟溫度及其在不同溫度下的具體開啟情況。實(shí)驗(yàn)使用的解放J6節(jié)溫器升溫過程中實(shí)際開啟溫度為83.7 ℃，于93.6 ℃達(dá)到最大升程10 mm。降溫時(shí)閥門于88.7 ℃開始回縮關(guān)閉，于79.6 ℃完全閉合。節(jié)溫器升溫升程曲線與降溫升程曲線之間在同一升程時(shí)存在一定溫度差，約為2～5 ℃，這是由于水溫傳導(dǎo)至節(jié)溫器內(nèi)部石蠟存在一定的遲滯效應(yīng)[10]。因此實(shí)驗(yàn)檢測升溫過程中開始開啟溫度略高于標(biāo)稱值，而降溫過程中的完全閉合溫度略低于標(biāo)稱值。由溫度標(biāo)準(zhǔn)差可見，升溫過程最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.92 ℃，出現(xiàn)在升程值為6 mm處，降溫過程最大標(biāo)準(zhǔn)差為0.86 ℃，出現(xiàn)在升程值為7 mm處，標(biāo)準(zhǔn)差值均在1 ℃以下，說明節(jié)溫器在連續(xù)工作時(shí)溫度穩(wěn)定性較好。

4.2 同一型號(hào)節(jié)溫器性能一致性測量

為測量同一型號(hào)節(jié)溫器性能的一致性，選取8個(gè)正常工作的解放J6重型卡車節(jié)溫器進(jìn)行測量，每個(gè)節(jié)溫器測定3個(gè)升溫降溫過程，取3組溫度的平均值作為溫度數(shù)據(jù)。在獲得8個(gè)節(jié)溫器溫度數(shù)據(jù)的情況下，計(jì)算每個(gè)升程值下8個(gè)節(jié)溫器對(duì)應(yīng)溫度值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。結(jié)果如表2所示，均值擬合曲線如圖6所示。

表2 解放J6節(jié)溫器性能一致性檢測結(jié)果Tab. 2 Performance consistency test of Jiefang J6 thermostat

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，8個(gè)節(jié)溫器的溫度標(biāo)準(zhǔn)差在升溫過程中最大為1.31 ℃，出現(xiàn)在升程值為4 mm處，在降溫過程中最大為1.14 ℃，出現(xiàn)在升程值為6 mm處。從同一型號(hào)不同節(jié)溫器的溫度標(biāo)準(zhǔn)差來看，最大值為1.3 ℃，說明該型號(hào)節(jié)溫器的性能一致性較好。

圖6 解放J6節(jié)溫器升程-溫度關(guān)系曲線（多個(gè)節(jié)溫器性能一致性測量擬合）Fig. 6 Relation curve between lift and temperature of Jiefang J6 thermostat（fitting from performance consistency test of multiple thermostats）

4.3 故障節(jié)溫器的判斷

通過測量節(jié)溫器的升溫降溫曲線可以獲得節(jié)溫器性能的完備數(shù)據(jù)，并可依此判斷節(jié)溫器是否出現(xiàn)故障。以解放J6節(jié)溫器為例，通過性能一致性實(shí)驗(yàn)測定，該節(jié)溫器升溫時(shí)的最大升程溫度為93.7 ℃，降溫時(shí)的開始閉合溫度為88.6 ℃，最大升程為10 mm，升溫過程的開啟溫度為83.5 ℃，降溫過程的閉合溫度為79.7 ℃，從反映節(jié)溫器一致性的標(biāo)準(zhǔn)差來看，最大溫度標(biāo)準(zhǔn)差不超過1.30 ℃。因此，以總體樣本符合正態(tài)分布計(jì)，若某節(jié)溫器實(shí)測溫度與一致性測量結(jié)果偏差在3.9 ℃（3倍標(biāo)準(zhǔn)誤差，99.7%置信區(qū)間[11]）以下可視為正常工作，若偏差達(dá)到3.9 ℃以上可認(rèn)為該節(jié)溫器性能已不符合標(biāo)準(zhǔn)，可視為出現(xiàn)故障。

以上實(shí)驗(yàn)說明該檢測系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取節(jié)溫器具體性能參數(shù)，快速、高效地檢測節(jié)溫器是否正常工作。

5 結(jié)論

本文提出一種基于相位法激光測距技術(shù)的節(jié)溫器性能檢測方法，利用單片機(jī)構(gòu)建了一套檢測系統(tǒng)，分析了避免引入測量誤差的方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械式節(jié)溫器的非接觸式溫度同步實(shí)時(shí)檢測，獲取反映節(jié)溫器性能的完備數(shù)據(jù)。檢測系統(tǒng)的升程測量精度為1 mm，溫度測量精度為0.1 ℃，滿足節(jié)溫器性能檢測要求，有效解決了以往測量方法中存在的測量數(shù)據(jù)不完備、精度低、燙傷安全隱患大及操作不便的問題，可應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)日常維修及教學(xué)實(shí)踐工作中。