王冬 姜偉 陳斐 鄒康平
為了更好地發(fā)揮熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在非道路單缸柴油機(jī)排放試驗(yàn)中的作用,在介紹熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理的基礎(chǔ)上,分析了熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在非道路單缸柴油機(jī)排放試驗(yàn)中的重要性及其測(cè)量不確定度的評(píng)定方法,從而使測(cè)量結(jié)果更加可信。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì);測(cè)量原理;不確定度;測(cè)量結(jié)果
0?前言
目前,隨著國(guó)內(nèi)各界對(duì)非道路柴油機(jī)的排放問題越來越重視,相應(yīng)的排放法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)要求也越來越高,對(duì)排放檢測(cè)機(jī)構(gòu)的能力要求提出了挑戰(zhàn)。氣體質(zhì)量流量計(jì)在非道路單缸柴油機(jī)排放試驗(yàn)中十分重要,它與排放污染物的測(cè)量及計(jì)算有著直接的關(guān)系,所以流量計(jì)的選用及測(cè)量準(zhǔn)確度極其重要。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱“熱式流量計(jì)”)廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)檢測(cè)中,本文著重對(duì)上海同圓TOCEIL-20N060型號(hào)的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理及測(cè)量不確定度進(jìn)行較為深入的分析。
1?熱式流量計(jì)的工作原理
1.1?工作原理
TOCEIL-20N060熱式流量計(jì)是專門針對(duì)非道路單缸柴油機(jī)(以下簡(jiǎn)稱“柴油機(jī)”)進(jìn)氣流量測(cè)量設(shè)計(jì),用來對(duì)柴油機(jī)的進(jìn)氣流量進(jìn)行測(cè)量,通過傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換測(cè)得柴油機(jī)排放試驗(yàn)中各個(gè)工況點(diǎn)的進(jìn)氣流量數(shù)據(jù)。
TOCEIL-20N060熱式流量計(jì)是按照熱膜式原理設(shè)計(jì)的。熱膜的敏感元件是在陶瓷基片上采用沉積金屬形成的薄膜電阻[1]。熱式流量計(jì)有2個(gè)傳感元件,1個(gè)是速度傳感器,另1個(gè)是溫度傳感器,這2個(gè)傳感器安裝在經(jīng)過濾芯之后的不銹鋼管壁上。當(dāng)流量計(jì)通電以后,速度傳感器會(huì)升溫,達(dá)于外界空氣溫度(進(jìn)氣溫度)之后停止升溫。當(dāng)柴油機(jī)起動(dòng)之后,空氣經(jīng)過流量計(jì)進(jìn)入柴油機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)。這時(shí)因?yàn)榭諝饬鲃?dòng),導(dǎo)致速度傳感器熱量流失,溫度下降,2個(gè)傳感器之間的溫度差也發(fā)生了變化,與此同時(shí)速度傳感器內(nèi)部集成自動(dòng)運(yùn)算加大電流使速度傳感器升溫,以維持2個(gè)傳感器之間的溫度差。根據(jù)維持溫度差需要消耗的電流量和空氣流速的比例關(guān)系,可以得到進(jìn)入到柴油機(jī)的空氣質(zhì)量流量。
1.2?整體結(jié)構(gòu)
TOCEIL-20N060熱式流量計(jì)測(cè)量管徑為60 mm,主要由三大部分組成,分別是過濾裝置、不銹鋼管路,以及傳感器等智能儀表(圖1)。傳感器安裝在過濾裝置之后的直管上,輸出信號(hào)通過數(shù)據(jù)線連接到外接顯示裝置上。
TOCEIL-20N060熱式流量計(jì)的設(shè)計(jì)安裝優(yōu)于一般的氣體流量計(jì),整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,安裝方便,測(cè)量準(zhǔn)確。TOCEIL-20N060熱式流量計(jì)直接測(cè)量氣體的質(zhì)量流量,而一般的氣體流量計(jì)測(cè)量值是體積流量,容易受外界環(huán)境的干擾。在柴油機(jī)的排放試驗(yàn)中,進(jìn)氣流量是1個(gè)非常重要的試驗(yàn)參數(shù),數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性要求有穩(wěn)定且準(zhǔn)確的流量計(jì)。
2?熱式流量計(jì)在排放檢測(cè)中的應(yīng)用
2.1?選擇合適的穩(wěn)壓筒
非道路單缸柴油機(jī)是間斷方式進(jìn)氣[2],特別是小功率四沖程單缸機(jī),吸氣過程為間歇而周期性地進(jìn)行,所以進(jìn)氣管內(nèi)氣流的速度和壓力均會(huì)產(chǎn)生一定的波動(dòng),有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的脈動(dòng)氣流,所以在安裝熱式流量計(jì)的時(shí)候需要增加穩(wěn)壓筒。
穩(wěn)壓筒的容積選擇與柴油機(jī)的排量相關(guān),一般推薦穩(wěn)壓筒的容積為柴油機(jī)氣缸容積的200倍,這樣能更好地降低脈沖氣流對(duì)熱式流量計(jì)測(cè)量的影響。
2.2?聯(lián)接方法
當(dāng)測(cè)量不同柴油機(jī)的進(jìn)氣流量時(shí),需要按圖2所示的方式將熱式流量計(jì)聯(lián)接到發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣口。
2.3?使用環(huán)境
熱式流量計(jì)在使用過程中對(duì)環(huán)境也有一定的要求,極端的環(huán)境會(huì)影響電子儀器的正常使用,同時(shí)不利于后期的保養(yǎng)維修工作。TOCEIL-20N060應(yīng)在以下環(huán)境條件范圍內(nèi)使用:(1)環(huán)境溫度0~70 ℃;(2)環(huán)境濕度10%~85% RH;(3)振動(dòng)較小,空氣流通,無強(qiáng)烈的感應(yīng)干擾,不易產(chǎn)生靜電和磁場(chǎng)。
2.4?熱式流量計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定方法[3]
2.4.1?熱式流量計(jì)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
TOCEIL-20N060熱式流量計(jì)的最小分辨力是0.1 kg/h,將其按均勻分布考慮,包含因子k=3,因此熱式流量計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.058 kg/h。
2.4.2?熱式流量計(jì)校準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度
對(duì)熱式流量計(jì)進(jìn)行校準(zhǔn)使用的是噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置,從流量計(jì)的校準(zhǔn)證書中可知其擴(kuò)展不確定度為0.3%,k=2,因此標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.001 5 kg/h。
2.4.3?重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度
對(duì)某一型號(hào)柴油機(jī)的標(biāo)定工況在同一環(huán)境條件下重復(fù)測(cè)量10次,然后在其他5種不同環(huán)境條件下進(jìn)行類似測(cè)量,這樣可以得到6組流量測(cè)得值,計(jì)算各組單次測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)差并將其合并,作為各組單次測(cè)量的重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度。各組測(cè)量結(jié)果如表1所示。
各組合并標(biāo)準(zhǔn)差S為0.31 kg/h,單次測(cè)量重復(fù)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.31 kg/h。
2.4.4?復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度
通過表1的試驗(yàn)數(shù)據(jù),可以得出在不同環(huán)境條件下流量計(jì)的復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差。表1中所有測(cè)量值的平均值為29.58 kg/h,所有組單次測(cè)量復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差為0.37 kg/h,所有組單次測(cè)量復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.37 kg/h。
2.4.5?合成不確定度
根據(jù)上述數(shù)據(jù),可計(jì)算合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.49 kg/h。
2.4.6?擴(kuò)展不確定度
由于被測(cè)量值接近于正態(tài)分布且有效自由度較大,故取包含概率p為95%,包含因子k為2,則熱式流量計(jì)的擴(kuò)展不確定度為U95為1.0 kg/h。由上述分析可得,測(cè)量結(jié)果可以表示為53.6±1.0 kg/h。
3?結(jié)論
熱式流量計(jì)的正確選用、合理安裝、使用環(huán)境在非道路柴油機(jī)排放試驗(yàn)中起著十分重要的作用,可幫助研究人員準(zhǔn)確地獲取柴油機(jī)的進(jìn)氣流量,準(zhǔn)確計(jì)算排放結(jié)果,從而大幅提高了排放試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性。在熱式流量計(jì)不確定度的計(jì)算過程中,研究人員給出了4個(gè)影響熱式流量計(jì)測(cè)量精度的不確定度分量的來源,分別對(duì)各個(gè)不確定度分量進(jìn)行了計(jì)算,最后得到了熱式流量計(jì)的擴(kuò)展不確定度,從而提高了熱式流量計(jì)在實(shí)際使用中的測(cè)量準(zhǔn)確性和排放試驗(yàn)的可靠性。
[1]梁國(guó)偉,文英杰,黃震威,等.熱式氣體流量計(jì)原理及影響因數(shù)分析研究[J].中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(3):202-203.
[2]程慶瀾,吳小江.單缸柴油機(jī)進(jìn)氣管氣流運(yùn)動(dòng)和壓力波動(dòng)的研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程,1995,16(2):46-47.
[3]倪育才.實(shí)用測(cè)量不確定度評(píng)定[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,2014.