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)中的使用及其測(cè)量不確定度的計(jì)算

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.