1　引　言

　　柴油消耗是铁路运输系统成本的主要部分,因此,柴油流量的准确计量具有重要意义。常用的流量传感器中,容积式流量传感器准确度较高,但在突发故障时易堵塞,影响被测流体介质的流动,不适于在线计量;而科氏质量流量计价格昂贵;涡轮流量传感器因结构简单、体积小、精度高、量程范围宽、输出频率信号等优点而得到广泛应用。对于内燃机车柴油的计量而言,涡轮流量传感器是一种较好的选择。

　　然而,柴油密度随温度变化的特性将导致相同质量的柴油体积不同,这必然引起容积式涡轮传感器的流量计量误差。另外,柴油的粘度、润滑性、涡轮自身尺寸的改变等诸多因素也将影响计量精度。

　　本文提出通用型近似温度补偿方法,使其对柴油计量的精度优于0.11%。

　　2　测量原理

　　2.1　有效柴油油耗率

　　利用燃料供给系统将一定数量、一定质量的柴油,在一定时间内喷入柴油机汽缸中,并与空气混合进行燃烧。其有效柴油消耗用油耗率来表示,即柴油机每做1 kW的有效功率,在1 h内所消耗的燃油质量,为:

　　由此可见,为获得ge,对于柴油质量消耗Gr的准确计量具有十分重要的意义。

　　2.2　涡轮传感器的工作机理

　　涡轮传感器的运动微分方程为[1]:

　　上式表明在湍流状态下,K值仅与传感器自身结构参数有关,而与流量qv、流体的物性参数(如粘度μ、介质密度ρ等)无关,因此结构尺寸一定的传感器,其仪表系数可近似为一常数。然而,涡轮流量计是一种体积式计量仪表,不能直接得出质量消耗Gr,为此需进一步研究其质量仪表系数。

　　2.3　温度对质量计量的影响

　　2.3.1　质量仪表系数Km

　　涡轮流量传感器的质量仪表系数Km为:

　　从文献[2]中可查到柴油的γ值,柴油密度的温度特性将导致相同质量的柴油具有不同的体积,仅对体积流量进行计量必然引起较大误差。而柴油油耗率(见式(1))取决于所耗柴油的质量,因此,质量流量的计量更为科学。

　2.3.2　Km的绝对变化量

　　Km的绝对变化量为:

　　2.3.3　Km的相对变化量

　　Km的相对变化量为:

　　由前面分析,在20~70℃范围内,温度每变化10℃,质量仪表系数的绝对变化量ΔKm为0.010 136 15·K,质量仪表系数的相对变化量δKm为0.833 5%。为此,本文设计一种内嵌温度传感器的补偿式智能型涡轮流量计,即根据温度的实测值修正质量仪表系数,最终获得准确的质量流量计量。

　　3　补偿运算方法研究

　　本文对3个Φ15涡轮流量传感器进行实验研究,编号分别为1#、2#、3#。

　　实验中涡轮流量传感器的流量范围为1~3 m3/h。每次实验的测量点为1.5、2、2.5 m3/h,每点测量5次。实验时,柴油温度分别为40、50、60、70℃,管道中的压力为0.36 MPa。为提高实验结果的准确度,在每个温度点下,每只传感器连续进行两次实验,把两次实验的平均值作为该温度点下这只传感器的质量仪表系数。实验数据如表1所示。

　　由表1中数据看出,在1~3 m3/h的流量范围内,质量仪表系数随着温度的变化而变化,图1为其变化曲线,曲线的一阶线性拟合计算公式为:

      　Km,t= A+Bt                                                                                      (16)

　　式中:A、B———常数,不同编号涡轮的A、B值不同。

　　实测质量仪表系数和拟合公式计算的质量仪表系数之间的相对误差δM为:

　　Km,实测、Km,计算、δM和δ如表1所示,根据上面线性拟合公式计算质量仪表系数,温度为t℃时算得的质量仪表系数与40℃时算得的质量仪表系数相比,温度每变化10℃,利用拟合公式计算质量仪表系数的相对变化量为:

　　对于1#、2#、3#涡轮,δK′m,40平均取值分别为0.691%、0.681%、0.815%;需要指出的是,为每只涡轮建立专用温度补偿公式精度虽高,但工作量较大。为此,在测量精度要求不是很高的情况下,利用三个涡轮的平均值(0.729%)建立通用温度补偿公式更加实用,为:

　　由表1实验数据可知,传感器质量仪表系数根据专用温度补偿公式,获得的基本误差最大值为0.038 8%;而根据通用温度补偿公式获得的基本误差最大值为0.105 6%。根据前面的理论分析可知,温度每变化10℃,质量仪表系数将变化0.835%,实测中三只涡轮略有差异,其平均变化量为0.729%,可见实验与理论分析具有较好的一致性。其差值是由于在理论分析中,忽略了机械摩擦阻力矩和电磁阻力矩,而这些力矩虽然不大,但也客观存在;涡轮机械加工的离散性也会导致这些力矩的差异;此外,传感器壳体的热胀冷缩也会引起偏差。为了修正由于仪表系数的变化而引起的计量误差,将温度传感器嵌入涡轮中,实现对温度的实时监测,将式(20)写入单片机中,可使柴油质量仪表系数的精度优于0.11%。

4　硬件系统设计

　　硬件核心元件为51单片机,型号为Winbond的78E58B,硬件系统结构设计如图2所示,在涡轮传感器中嵌入型号为DS18B20的温度传感器,属智能化集成温度传感器,即采用数字化技术,以数字的形式直接输出被测温度值,具有测温误差小、分辨率高、抗干扰能力强及远程传输数据等功能,自带串行单总线接口等优点。时钟芯片为DS12887C,实现重要历史数据的掉电保护,保存时间为10年。LED显示驱动芯片选择HD7219,串行工作方式。看门狗电路选择MAX1232。人机接口由面板键和便携式手操器构成。电源模块选择BOSHIDA AC/DC系列双路输出直流电源模块。

　　涡轮传感器发出的脉冲信号经整流滤波电路及光电耦合电路进入单片机中,温度传感器实时采集流场环境温度,单片机为其提供电源,并以单总线方式与单片机进行数据通讯。通过面板键及LED实现可循环查看累积流量、瞬时流量、温度及系统时钟等参数的运行状况,在非工作状态下,利用手操器可实现对仪表系数、系统时钟、温度传感器地址、柴油密度等参数的设定。

　　5　软件流程

　　软件采用C语言进行编程,嵌入了质量仪表系数的温度补偿计算式(20)对其进行在线修正,根据下式可直接计量高准确度的质量流量,即,

　　6　样机实验

　　本文根据智能仪表硬件系统以及软件系统的设计方案,研制了1台样机,并嵌入了质量仪表系数的补偿算法,在称重法柴油流量标准装置上进行检定,试验点分别选择为:1、1.5、2.5 m3/h,温度实验点分别选择为:40、50、60、70℃,然后对比电子秤读数与质量仪表读数,并对电子秤与质量仪表进行误差分析,公式如下:

　　7　结　论

　　①理论上温度每变化10℃,质量仪表系数的相对变化量δKm近似为0.833 5%;②得出通用型质量仪表系数的温度补偿公式;③嵌入补偿算法后,新型补偿式柴油质量仪表的精度优于0.2%。

　　[参考文献]

　　[1]　苏彦勋,等.流量计量与测试[M].中国计量出版社,1992.

　　[2]　GB1885-1998,石油计量换算表[S].

　　[3]　JB/T9246-1999,涡轮流量传感器[S].

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