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柴油流量计_新型补偿式柴油质量计量仪表原理


文章日期:2017-10-23|阅读数:


摘要 基于 涡轮流量传感器 的工 作原理,本文对 因柴油温度、密度的改变而产生的计量误差进行 了较 为深入 研究,给出“通用型 温度 补偿 算法” ,实现了优 于 0.11% 的 质量 仪 表 系数 的 精度。同时给 出补偿式 柴油质量计量仪表 的硬件及 软件 系统的设计方 案,以 该方案制成的样机在标 定实验 中获得 了 0.2% 的计 量 精度。

1、引言:
  柴油消耗是铁路输运系统成本的主要组成部分,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,容积式准确度较高,但突发故障时将造成堵塞,破坏被测介质的流体的流动,因此不适合在线计量;而科氏质量流量计价格昂贵;涡轮流量传感器结构简单、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的应用。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,柴油的密度随温度变化,导致相同质量的柴油体积不同,这种体积膨胀特性必然引起体积式的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的精度。本研究主要针对柴油温度的变化对计量产生的影响。并提出新的通用型近似温度补偿的方法,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,在一定时间内喷人柴油机汽缸中,并与空气混合进行燃烧。其有效柴油消耗是用油耗率来表示,即柴油机每发出1hW的有效功率,在1h内所消耗的燃油质量,为:(1)式中,g。表示有效油耗率,单位hg/kWh ; G为柴油机每小时的燃油消耗量,单位hg/h;N。为有效输出功率,单位kWo    由此可见,为获得g},对于柴油质量消耗G,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:
计算公式
式中:J一涡轮的转动惯氢dw}' dt涡轮转动的角加速度;。—涡轮的旋转角速度;T,—流体对涡轮叶片的推动力矩;T,m-一涡轮轴与轴承之间的机械摩擦阻力矩;T,—流体对涡轮的阻力矩;Tre—电磁检测器对涡轮的电磁阻力矩。    一般来说,电磁阻力矩T、比较小,可以忽略。当流量大于始动流量值以后,机械阻力矩T。的影响亦可以忽略。当涡轮处于匀速转动的平衡状态时,角加速度为零,即有:
计算公式
    此时影响流量计量特性的主要因素为流体对涡轮叶片的推动力矩T,和流体阻力矩T.r,则运动微分方程为:    T'-T  其中,推动力短T,为:
计算公式


    上式表明在湍流流动状态下,体积仪表系数K仅与传感器自身结构参数有关,而与流量q。、流体的物性参数,如粘度u、介质密度P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,不能直接得到质量消耗G,,为此需进一步研究其质量仪表系数。

2. 3、温度对质t计f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K。定义为:      9m   9~P   P式中,q。为柴油的质量流量,关系式为:  (10)P为柴油密度,与温度的P= P。一Yct一20)式中,P. Pea温度为t0C,20℃时的柴油密度,  (11)kg/L;Y—柴油密度的温度系数,(kg/L)/0C;t柴油酌实际温度℃。    从文献[2〕中可查到柴油的Y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,仅仅对体积流量臂行计量必然引起较大误差。而柴油油耗率(如式(1)中表述)取决于所耗柴油的质量,因此,质量流量的计量才更为科学。

2. 3. 2、Km的变化量:
Km的变化量图
分析上式可知,sKm仅与柴油的温度t和Pzo有关。    实验中所用柴油密度Pzo=0.84,Y=0.000680 t=20 C时,8Km=0. 8161%;t70 C时,sKm = o. 850s 0 0;取两者的平均值为sKm在20 70℃范围内的真值,则:    Km=0. 8335 00/10 C。    由前面分析,在20--- 70 0C范围内,温度每变化10 0C,质量仪表系数的变化量OK、为0. 01013615·K,质量仪表系数的相对变化量8K。为。.833500。由此可见,由于温度的变化而引入的误差是相当可观的,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,***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cbl 5涡轮流量传感器进行了实验研究,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 ^-3m'/h o每次实验的测量点为1. 5m3/h, 2m9/h, 2. 5m'/h,每点测量5次。实验时,柴油温度分别为40"C .50"C,60"C、70`C,管道中的压力为0. 36MPa。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。实验数据如下表所示。
数据表
数据表

    由表中数据看出,在1-3m3/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,,=A-I-Bt (16)式中:A,B—均为常数,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sm为:。.实侧    基本误差s按照不同温度点求得,即: (17)sM值的平均值。实测质量仪表系数Km.}ae、计算质量仪表系数Km计算、相对误差sM和基本误差s如上表所示,根据上面线性拟合公式计算质量仪表系数,温度为tC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10C,利用拟合公式计算质量仪表系数的相对变化量为:aK    
    对于1、2、3涡轮,8k。平均取值分别为0.69100,0.6810a,0.81500;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. 72900)建立通用温度补偿公式更加实用,即:
补偿公式
图1  1、2、3传感器的质量仪表系数

图1  1、2、3传感器的质量仪表系数

    由表中实验数据可知,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***大值为。038800;而根据通用温度补偿公式获得的基本误差***大值为0. 105600。根据前面的理论分析可知,温度每变化10 `C,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。其差值来源于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,但也是客观存在的;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入一定的偏差。为了修正由于仪表系数的变化而引入的计量误差,将温度传感器嵌入涡轮中.实现对温度的实时监测,将通用公式(20)写入单片机中,则获得的柴油质量仪表系数的精度优于0.11%。
图2硬件系统框图
图2硬件系统框图

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温度传感器。温度传感器型号为DS18B20.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。DS18B20及DS12887C的选取大大节约了单片机的硬件资源。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/D(!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藕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现实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、软件设计:
  软件上采用C语言进行编程,嵌入了质量仪表系数的温度补偿计算公式(20)对其进行在线修正,根据以下公式可直接计量高准确度的质量流量,即:
计算公式
式中,Q。单位:Kg/h软件设计的主流程如图3所示。
图3主程序流程图
图3主程序流程图

6、样机实验:
  本论文根据智能仪表硬件系统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,试验点分别为lm'/h, 1. 5m'/h, 2. 5m'/h,温度实验点分别为40 C , 50 0C , 60'C , 70’ C,对比电子秤读数与质量仪表读数,并进行误差分析,公式如下:
计算公式
其中,误差分析柱状图如图4所示,可见,样机的质量计量精度优于0.2%。
图4误差分析


图4误差分析

7、结论:
(1)理论上温度每变化10 0C,质量仪表系数的相对变化量8K。近似为0. 8335 0 o;  
(2)得出了通用型质量仪表系数的温度补偿公式;  
(3)本文研制的样机中嵌入了补偿算法,使得新型补偿式柴油质量仪表的精度优于0.2%。


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