柴油流量計_新型補償式柴油質量計量儀表原理
摘要 基于 渦輪流量傳感器 的工 作原理,本文對 因柴油溫度、密度的改變而產生的計量誤差進行 了較 為深入 研究,給出“通用型 溫度 補償 算法” ,實現了優 于 0.11% 的 質量 儀 表 系數 的 精度。同時給 出補償式 柴油質量計量儀表 的硬件及 軟件 系統的設計方 案,以 該方案制成的樣機在標 定實驗 中獲得 了 0.2% 的計 量 精度。
1、引言：
柴油消耗是鐵路輸運系統成本的主要組成部分，因此，柴油流量的準確計量具有重要意義。常用的流量傳感器中，容積式準確度較高，但突發故障時將造成堵塞，破壞被測介質的流體的流動，因此不適合在線計量;而科氏質量流量計價格昂貴;渦輪流量傳感器結構簡單、體積小、精度高、量程范圍寬、輸出頻率信號等優點而得到廣泛的應用。對于內燃機車柴油的計量而言，渦輪流量傳感器是一種較好的選擇。 然而，柴油的密度隨溫度變化，導致相同質量的柴油體積不同，這種體積膨脹特性必然引起體積式的渦輪傳感器的流量計量誤差。另外，柴油的粘度、潤滑性、渦輪自身尺寸的改變等諸多因素也將影響計量的精度。本研究主要針對柴油溫度的變化對計量產生的影響。并提出新的通用型近似溫度補償的方法，使其對柴油計量的精度優于0.11%。
2、測量原理：
2. 1、有效柴油油耗率：
利用燃料供給系統將一定數量、一定質量的柴油，在一定時間內噴人柴油機汽缸中，并與空氣混合進行燃燒。其有效柴油消耗是用油耗率來表示，即柴油機每發出1hW的有效功率，在1h內所消耗的燃油質量，為:(1)式中，g。表示有效油耗率，單位hg/kWh ; G為柴油機每小時的燃油消耗量，單位hg/h;N。為有效輸出功率，單位kWo 由此可見，為獲得g}，對于柴油質量消耗G，的準確計量具有十分重要的意義。2. 2渦輪傳感器的工作機理 渦輪傳感器的運動微分方程為：
式中:J一渦輪的轉動慣氫dw}' dt渦輪轉動的角加速度;。—渦輪的旋轉角速度;T,—流體對渦輪葉片的推動力矩;T,m-一渦輪軸與軸承之間的機械摩擦阻力矩;T,—流體對渦輪的阻力矩;Tre—電磁檢測器對渦輪的電磁阻力矩。 一般來說，電磁阻力矩T、比較小，可以忽略。當流量大于始動流量值以后，機械阻力矩T。的影響亦可以忽略。當渦輪處于勻速轉動的平衡狀態時，角加速度為零，即有:
此時影響流量計量特性的主要因素為流體對渦輪葉片的推動力矩T，和流體阻力矩T.r，則運動微分方程為: T'-T 其中，推動力短T,為:
上式表明在湍流流動狀態下，體積儀表系數K僅與傳感器自身結構參數有關，而與流量q。、流體的物性參數，如粘度u、介質密度P等無關，因此結構尺寸一定的傳感器，其儀表系數可近似為一常數。然而，渦輪流量計是一種體積式計量儀表，不能直接得到質量消耗G,，為此需進一步研究其質量儀表系數。
2. 3、溫度對質t計f的影響：
2. 3. 1、質量儀表系數Km：
渦輪流量傳感器的質量儀表系數K。定義為: 9m 9~P P式中，q。為柴油的質量流量，關系式為: (10)P為柴油密度，與溫度的P= P。一Yct一20)式中，P. Pea溫度為t0C,20℃時的柴油密度， (11)kg/L;Y—柴油密度的溫度系數，(kg/L)/0C;t柴油酌實際溫度℃。 從文獻[2〕中可查到柴油的Y值，柴油密度的溫度特性將導致相同質量的柴油，具有不同的體積，僅僅對體積流量臂行計量必然引起較大誤差。而柴油油耗率(如式(1)中表述)取決于所耗柴油的質量，因此，質量流量的計量才更為科學。
2. 3. 2、Km的變化量：
分析上式可知，sKm僅與柴油的溫度t和Pzo有關。 實驗中所用柴油密度Pzo=0.84,Y=0.000680 t=20 C時，8Km=0. 8161%;t70 C時，sKm = o. 850s 0 0;取兩者的平均值為sKm在20 70℃范圍內的真值，則: Km=0. 8335 00/10 C。 由前面分析，在20— 70 0C范圍內，溫度每變化10 0C，質量儀表系數的變化量OK、為0. 01013615·K，質量儀表系數的相對變化量8K。為。.833500。由此可見，由于溫度的變化而引入的誤差是相當可觀的，為此，本文設計一種內嵌溫度傳感器的補償式智能型渦輪流量計，即根據溫度的實測值修正質量儀表系數，***終獲得準確的質量流量計量。3補償運算方法研究 本文對3個cbl 5渦輪流量傳感器進行了實驗研究，編號分別為1、2、3.
實驗中渦輪流量傳感器的流量范圍為1 ^-3m'/h o每次實驗的測量點為1. 5m3/h, 2m9/h, 2. 5m'/h，每點測量5次。實驗時，柴油溫度分別為40"C .50"C,60"C、70`C，管道中的壓力為0. 36MPa。為提高實驗結果的準確度，在每個溫度點下，每只傳感器連續進行兩次實驗，把兩次實驗的平均值作為該溫度點下這只傳感器的質量儀表系數。實驗數據如下表所示。
數據表
由表中數據看出，在1-3m3/h的流量范圍內，質量儀表系數隨著溫度的變化而變化，圖1為其變化曲線，曲線的一階線性擬合計算公式為:Km,,=A-I-Bt (16)式中:A,B—均為常數，不同編號渦輪的A.B值不同。 實測質量儀表系數和擬合公式計算的質量儀表系數之間的相對誤差sm為:。.實側 基本誤差s按照不同溫度點求得，即: (17)sM值的平均值。實測質量儀表系數Km.}ae、計算質量儀表系數Km計算、相對誤差sM和基本誤差s如上表所示，根據上面線性擬合公式計算質量儀表系數，溫度為tC時算得的質量儀表系數，與40℃時算得的質量儀表系數相比，溫度每變化10C，利用擬合公式計算質量儀表系數的相對變化量為:aK
對于1、2、3渦輪，8k。平均取值分別為0.69100,0.6810a,0.81500;需要指出的是，為每只渦輪建立專用溫度補償公式精度雖高，但工作量較大。為此，在測量精度要求不是很高的情況下，利用三個渦輪的平均值(0. 72900)建立通用溫度補償公式更加實用，即:
圖1 1、2、3傳感器的質量儀表系數
由表中實驗數據可知，傳感器質量儀表系數根據專用溫度補償公式，獲得的基本誤差***大值為。038800;而根據通用溫度補償公式獲得的基本誤差***大值為0. 105600。根據前面的理論分析可知，溫度每變化10 `C，質量儀表系數將變化0.835%.實測中三只渦輪略有差異，其平均變化量為0. 729，可見實驗與理論分析具有較好的一致性。其差值來源于是由于在理論分析中，忽略了機械摩擦阻力矩和電磁阻力矩，而這些力矩雖然不大，但也是客觀存在的;渦輪機械加工的離散性也會導致這些力矩的差異;此外，傳感器殼體的熱脹冷縮也會引入一定的偏差。為了修正由于儀表系數的變化而引入的計量誤差，將溫度傳感器嵌入渦輪中.實現對溫度的實時監測，將通用公式(20)寫入單片機中，則獲得的柴油質量儀表系數的精度優于0.11%。
圖2硬件系統框圖
4、硬件系統設計：
硬件核心元件為51單片機，型號為Winbond的78E58B，硬件系統結構設計如圖2所示，在渦輪傳感器中嵌入溫度傳感器。溫度傳感器型號為DS18B20.屬智能化集成溫度傳感器，即采用數字化技術，以數字的形式直接輸出被測溫度值，具有測溫誤差小、分辨率高、抗干擾能力強及遠程傳輸數據等功能，自帶串行單總線接口等優點。時鐘芯片為DS12887C，實現重要歷史數據的掉電保護，保存時間為10年。LED顯示驅動芯片選擇HD7219，串行工作方式。DS18B20及DS12887C的選取大大節約了單片機的硬件資源?？撮T狗電路選擇MAX1232。人機接口由面板鍵和便攜式手操器構成。電源模塊選擇BOSHIDA AC/D(!系列雙路輸出直流電源模塊。渦輪傳感器發出的脈沖信號經整流濾波電路及光電藕合電路進入單片機中，溫度傳感器實時采集流場環境溫度，單片機為其提供電源，并以單總線方式與單片機進行數據通訊。通過面板鍵及LED現實可循環查看累積流量、瞬時流量、溫度及系統時鐘等參數的運行狀況，在非工作狀態下，利用手操器可實現對儀表系數、系統時鐘、溫度傳感器地址、柴油密度等參數的設定。
5、軟件設計：
軟件上采用C語言進行編程，嵌入了質量儀表系數的溫度補償計算公式(20)對其進行在線修正，根據以下公式可直接計量高準確度的質量流量，即:
式中，Q。單位:Kg/h軟件設計的主流程如圖3所示。
圖3主程序流程圖
6、樣機實驗：
本論文根據智能儀表硬件系統及軟件系統的設計方案，研制了1臺樣機，并嵌入了質量儀表系數的補償算法，在稱重法柴油流量標準裝置上進行檢定，試驗點分別為lm'/h, 1. 5m'/h, 2. 5m'/h，溫度實驗點分別為40 C , 50 0C , 60'C , 70’ C，對比電子秤讀數與質量儀表讀數，并進行誤差分析，公式如下:
其中，誤差分析柱狀圖如圖4所示，可見，樣機的質量計量精度優于0.2%。
圖4誤差分析
7、結論：
（1）理論上溫度每變化10 0C，質量儀表系數的相對變化量8K。近似為0. 8335 0 o;
（2）得出了通用型質量儀表系數的溫度補償公式;
（3）本文研制的樣機中嵌入了補償算法，使得新型補償式柴油質量儀表的精度優于0.2%。