新型补偿式柴油质量计量仪表的研究

　　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,在一定时间内喷入柴油机汽缸中,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:

　　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]:

　　式中:J——涡轮的转动惯量;dω/dt——涡轮转动的角加速度;ω——涡轮的旋转角速度;Tr——流体对涡轮叶片的推动力矩;Trm——涡轮轴与轴承之间的机械摩擦阻力矩;Trf——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Tre比较小,可以忽略。当流量大于始动流量值以后,机械阻力矩Trm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:

　　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Tr和流体阻力矩Trf,则运动微分方程为:

　　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,不能直接得到质量消耗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定义为: