摘要 基于 渦輪流量傳感器 的工 作原理,本文對(duì) 因柴油溫度、密度的改變而產(chǎn)生的計(jì)量誤差進(jìn)行 了較 為深入 研究,給出“通用型 溫度 補(bǔ)償 算法” ,實(shí)現(xiàn)了優(yōu) 于 0.11% 的 質(zhì)量 儀 表 系數(shù) 的 精度。同時(shí)給 出補(bǔ)償式 柴油質(zhì)量計(jì)量?jī)x表 的硬件及 軟件 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方 案,以 該方案制成的樣機(jī)在標(biāo) 定實(shí)驗(yàn) 中獲得 了 0.2% 的計(jì) 量 精度。

1、引言：
  柴油消耗是鐵路輸運(yùn)系統(tǒng)成本的主要組成部分，因此，柴油流量的準(zhǔn)確計(jì)量具有重要意義。常用的流量傳感器中，容積式準(zhǔn)確度較高，但突發(fā)故障時(shí)將造成堵塞，破壞被測(cè)介質(zhì)的流體的流動(dòng)，因此不適合在線計(jì)量;而科氏質(zhì)量流量計(jì)價(jià)格昂貴;渦輪流量傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、精度高、量程范圍寬、輸出頻率信號(hào)等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車柴油的計(jì)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(dǎo)致相同質(zhì)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(jì)量誤差。另外，柴油的粘度、潤(rùn)滑性、渦輪自身尺寸的改變等諸多因素也將影響計(jì)量的精度。本研究主要針對(duì)柴油溫度的變化對(duì)計(jì)量產(chǎn)生的影響。并提出新的通用型近似溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ蛊鋵?duì)柴油計(jì)量的精度優(yōu)于0.11%。

2、測(cè)量原理：
2. 1、有效柴油油耗率：
  利用燃料供給系統(tǒng)將一定數(shù)量、一定質(zhì)量的柴油，在一定時(shí)間內(nèi)噴人柴油機(jī)汽缸中，并與空氣混合進(jìn)行燃燒。其有效柴油消耗是用油耗率來(lái)表示，即柴油機(jī)每發(fā)出1hW的有效功率，在1h內(nèi)所消耗的燃油質(zhì)量，為:(1)式中，g。表示有效油耗率，單位hg/kWh ; G為柴油機(jī)每小時(shí)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(jiàn)，為獲得g}，對(duì)于柴油質(zhì)量消耗G，的準(zhǔn)確計(jì)量具有十分重要的意義。2. 2渦輪傳感器的工作機(jī)理    渦輪傳感器的運(yùn)動(dòng)微分方程為：

式中:J一渦輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣氫dw}' dt渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角加速度;。—渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度;T,—流體對(duì)渦輪葉片的推動(dòng)力矩;T,m-一渦輪軸與軸承之間的機(jī)械摩擦阻力矩;T,—流體對(duì)渦輪的阻力矩;Tre—電磁檢測(cè)器對(duì)渦輪的電磁阻力矩。    一般來(lái)說(shuō)，電磁阻力矩T、比較小，可以忽略。當(dāng)流量大于始動(dòng)流量值以后，機(jī)械阻力矩T。的影響亦可以忽略。當(dāng)渦輪處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的平衡狀態(tài)時(shí)，角加速度為零，即有:

    此時(shí)影響流量計(jì)量特性的主要因素為流體對(duì)渦輪葉片的推動(dòng)力矩T，和流體阻力矩T.r，則運(yùn)動(dòng)微分方程為:    T'-T  其中，推動(dòng)力短T,為:

    上式表明在湍流流動(dòng)狀態(tài)下，體積儀表系數(shù)K僅與傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，而與流量q。、流體的物性參數(shù)，如粘度u、介質(zhì)密度P等無(wú)關(guān)，因此結(jié)構(gòu)尺寸一定的傳感器，其儀表系數(shù)可近似為一常數(shù)。然而，渦輪流量計(jì)是一種體積式計(jì)量?jī)x表，不能直接得到質(zhì)量消耗G,，為此需進(jìn)一步研究其質(zhì)量?jī)x表系數(shù)。

2. 3、溫度對(duì)質(zhì)t計(jì)f的影響：
2. 3. 1、質(zhì)量?jī)x表系數(shù)Km：
   渦輪流量傳感器的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)K。定義為:      9m   9~P   P式中，q。為柴油的質(zhì)量流量，關(guān)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(shí)的柴油密度，  (11)kg/L;Y—柴油密度的溫度系數(shù)，(kg/L)/0C;t柴油酌實(shí)際溫度℃。    從文獻(xiàn)[2〕中可查到柴油的Y值，柴油密度的溫度特性將導(dǎo)致相同質(zhì)量的柴油，具有不同的體積，僅僅對(duì)體積流量臂行計(jì)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(zhì)量，因此，質(zhì)量流量的計(jì)量才更為科學(xué)。

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(guān)。    實(shí)驗(yàn)中所用柴油密度Pzo=0.84,Y=0.000680 t=20 C時(shí)，8Km=0. 8161%;t70 C時(shí)，sKm = o. 850s 0 0;取兩者的平均值為sKm在20 70℃范圍內(nèi)的真值，則:    Km=0. 8335 00/10 C。    由前面分析，在20— 70 0C范圍內(nèi)，溫度每變化10 0C，質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的變化量OK、為0. 01013615·K，質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的相對(duì)變化量8K。為。.833500。由此可見(jiàn)，由于溫度的變化而引入的誤差是相當(dāng)可觀的，為此，本文設(shè)計(jì)一種內(nèi)嵌溫度傳感器的補(bǔ)償式智能型渦輪流量計(jì)，即根據(jù)溫度的實(shí)測(cè)值修正質(zhì)量?jī)x表系數(shù)，***終獲得準(zhǔn)確的質(zhì)量流量計(jì)量。3補(bǔ)償運(yùn)算方法研究    本文對(duì)3個(gè)cbl 5渦輪流量傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，編號(hào)分別為1、2、3.
    實(shí)驗(yàn)中渦輪流量傳感器的流量范圍為1 ^-3m'/h o每次實(shí)驗(yàn)的測(cè)量點(diǎn)為1. 5m3/h, 2m9/h, 2. 5m'/h，每點(diǎn)測(cè)量5次。實(shí)驗(yàn)時(shí)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，在每個(gè)溫度點(diǎn)下，每只傳感器連續(xù)進(jìn)行兩次實(shí)驗(yàn)，把兩次實(shí)驗(yàn)的平均值作為該溫度點(diǎn)下這只傳感器的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表所示。

數(shù)據(jù)表

    由表中數(shù)據(jù)看出，在1-3m3/h的流量范圍內(nèi)，質(zhì)量?jī)x表系數(shù)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(jì)算公式為:Km,,=A-I-Bt (16)式中:A,B—均為常數(shù)，不同編號(hào)渦輪的A.B值不同。 實(shí)測(cè)質(zhì)量?jī)x表系數(shù)和擬合公式計(jì)算的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)之間的相對(duì)誤差sm為:。.實(shí)側(cè)    基本誤差s按照不同溫度點(diǎn)求得，即: (17)sM值的平均值。實(shí)測(cè)質(zhì)量?jī)x表系數(shù)Km.}ae、計(jì)算質(zhì)量?jī)x表系數(shù)Km計(jì)算、相對(duì)誤差sM和基本誤差s如上表所示，根據(jù)上面線性擬合公式計(jì)算質(zhì)量?jī)x表系數(shù)，溫度為tC時(shí)算得的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)，與40℃時(shí)算得的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)相比，溫度每變化10C，利用擬合公式計(jì)算質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的相對(duì)變化量為:aK    
    對(duì)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(bǔ)償公式精度雖高，但工作量較大。為此，在測(cè)量精度要求不是很高的情況下，利用三個(gè)渦輪的平均值(0. 72900)建立通用溫度補(bǔ)償公式更加實(shí)用，即:

圖1  1、2、3傳感器的質(zhì)量?jī)x表系數(shù)

    由表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，傳感器質(zhì)量?jī)x表系數(shù)根據(jù)專用溫度補(bǔ)償公式，獲得的基本誤差***大值為。038800;而根據(jù)通用溫度補(bǔ)償公式獲得的基本誤差***大值為0. 105600。根據(jù)前面的理論分析可知，溫度每變化10 `C，質(zhì)量?jī)x表系數(shù)將變化0.835%.實(shí)測(cè)中三只渦輪略有差異，其平均變化量為0. 729，可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)與理論分析具有較好的一致性。其差值來(lái)源于是由于在理論分析中，忽略了機(jī)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(jī)械加工的離散性也會(huì)導(dǎo)致這些力矩的差異;此外，傳感器殼體的熱脹冷縮也會(huì)引入一定的偏差。為了修正由于儀表系數(shù)的變化而引入的計(jì)量誤差，將溫度傳感器嵌入渦輪中.實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將通用公式(20)寫(xiě)入單片機(jī)中，則獲得的柴油質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的精度優(yōu)于0.11%。

圖2硬件系統(tǒng)框圖

4、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：
  硬件核心元件為51單片機(jī)，型號(hào)為Winbond的78E58B，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(hào)為DS18B20.屬智能化集成溫度傳感器，即采用數(shù)字化技術(shù)，以數(shù)字的形式直接輸出被測(cè)溫度值，具有測(cè)溫誤差小、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)及遠(yuǎn)程傳輸數(shù)據(jù)等功能，自帶串行單總線接口等優(yōu)點(diǎn)。時(shí)鐘芯片為DS12887C，實(shí)現(xiàn)重要?dú)v史數(shù)據(jù)的掉電保護(hù)，保存時(shí)間為10年。LED顯示驅(qū)動(dòng)芯片選擇HD7219，串行工作方式。DS18B20及DS12887C的選取大大節(jié)約了單片機(jī)的硬件資源。看門(mén)狗電路選擇MAX1232。人機(jī)接口由面板鍵和便攜式手操器構(gòu)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(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)整流濾波電路及光電藕合電路進(jìn)入單片機(jī)中，溫度傳感器實(shí)時(shí)采集流場(chǎng)環(huán)境溫度，單片機(jī)為其提供電源，并以單總線方式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。通過(guò)面板鍵及LED現(xiàn)實(shí)可循環(huán)查看累積流量、瞬時(shí)流量、溫度及系統(tǒng)時(shí)鐘等參數(shù)的運(yùn)行狀況，在非工作狀態(tài)下，利用手操器可實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表系數(shù)、系統(tǒng)時(shí)鐘、溫度傳感器地址、柴油密度等參數(shù)的設(shè)定。

5、軟件設(shè)計(jì)：
  軟件上采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，嵌入了質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的溫度補(bǔ)償計(jì)算公式(20)對(duì)其進(jìn)行在線修正，根據(jù)以下公式可直接計(jì)量高準(zhǔn)確度的質(zhì)量流量，即:

式中，Q。單位:Kg/h軟件設(shè)計(jì)的主流程如圖3所示。

圖3主程序流程圖

6、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)：
  本論文根據(jù)智能儀表硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，研制了1臺(tái)樣機(jī)，并嵌入了質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的補(bǔ)償算法，在稱重法柴油流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上進(jìn)行檢定，試驗(yàn)點(diǎn)分別為lm'/h, 1. 5m'/h, 2. 5m'/h，溫度實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別為40 C , 50 0C , 60'C , 70’ C，對(duì)比電子秤讀數(shù)與質(zhì)量?jī)x表讀數(shù)，并進(jìn)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(jiàn)，樣機(jī)的質(zhì)量計(jì)量精度優(yōu)于0.2%。

圖4誤差分析

7、結(jié)論：
（1）理論上溫度每變化10 0C，質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的相對(duì)變化量8K。近似為0. 8335 0 o;  
（2）得出了通用型質(zhì)量?jī)x表系數(shù)的溫度補(bǔ)償公式;  
（3）本文研制的樣機(jī)中嵌入了補(bǔ)償算法，使得新型補(bǔ)償式柴油質(zhì)量?jī)x表的精度優(yōu)于0.2%。