基于流量分析儀校準的流量自動調(diào)節(jié)技術(shù)研究

葉獻鋒，汪衛(wèi)華，張 靜

（河南省計量測試科學(xué)研究院，鄭州 450000）

近年來，我國汽車保有量迅速增加，汽車在給人們生活帶來便利的同時，也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題。大量研究表明，汽車尾氣已成為一些大中型城市大氣污染的主要來源之一[1-2]。控制機動車尾氣排放，已成為改善城市空氣質(zhì)量的重要措施[3-4]。因此，各地分別建立了在用車排放檢測與維護制度以遏制機動車高排放。簡易瞬態(tài)工況法以其可以統(tǒng)計排放總質(zhì)量、監(jiān)控車輛的真實排放情況、檢測效率高、檢測費用和設(shè)備費用都較低等優(yōu)點成為目前在用的主要輕型汽油車檢測方法[5-6]。

汽油車簡易瞬態(tài)工況法用流量分析儀是簡易瞬態(tài)工況法測量中氣體質(zhì)量分析系統(tǒng)的重要儀器[7-8]。流量分析儀的主要作用是用來測量汽油車排放氣體與環(huán)境空氣混合氣體標(biāo)準狀態(tài)下的流量和稀釋氧濃度，并將測量稀釋后的氧含量與原排放氣體中的氧含量比較，求得稀釋比例，再通過稀釋比和氣體流量分析儀測得的流量，計算出每一秒的排放體積。最后檢測系統(tǒng)根據(jù)流量分析儀測量出的排放體積和尾氣分析儀測量的污染物排放濃度，計算出機動車每一秒排放出來的污染物質(zhì)量。

流量分析儀是機動車環(huán)保檢測的重要計量設(shè)備，目前的校準方式是將標(biāo)準流量計接到被測流量分析儀的出氣口，通過對比標(biāo)準流量計的示值和被測流量分析儀的示值得出流量示值誤差[9]。

目前校準方式[10]存在的問題：流量分析儀在校準時，調(diào)整標(biāo)準流量值的方式不能直接、準確設(shè)置標(biāo)準值來控制氣體流量，存在3 次調(diào)整流量標(biāo)準值重復(fù)性差，給出的校準點流量示值誤差是校準點附近3 個值的誤差平均值，并不是該校準點的實際誤差；標(biāo)準值調(diào)整過程長，工作效率低，每一個校準點都需要通過手動調(diào)整，操作繁瑣，引入的人為誤差因素較多。為了解決因為手動調(diào)整氣體流量大小造成的標(biāo)準值重復(fù)性差及誤差偏大的問題，本研究提出一種氣體流量自動調(diào)節(jié)技術(shù)。

1 技術(shù)研究

1.1 研究目的

目的在于提供一種流量分析儀的校準方法，以解決現(xiàn)有方法中需要人工手動調(diào)整流量值而導(dǎo)致的校準效率和準確度低的技術(shù)問題。通過人機接口設(shè)置氣體標(biāo)準流量值，采用一種氣體流量自動調(diào)節(jié)技術(shù)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定參數(shù)驅(qū)動流量調(diào)節(jié)器、實時流量反饋、自動完成流量控制。能夠通過參數(shù)設(shè)置方式實現(xiàn)氣體標(biāo)準流量的自動控制，提高校準結(jié)果準確度，使檢測工作便捷智能，提高工作效率。

1.2 實施方案

1.2.1 方法實施

通過采用氣體流量自動調(diào)節(jié)技術(shù)，設(shè)計出一套流量分析儀校準用流量自動調(diào)節(jié)裝置，用于流量分析儀的流量自動調(diào)節(jié)和校準。流量自動調(diào)節(jié)裝置由流量顯示和設(shè)定界面、主控制器、角度調(diào)節(jié)步進電機（步進電機上設(shè)置有用于檢測流量調(diào)節(jié)氣門轉(zhuǎn)動角度的角度傳感器）、調(diào)節(jié)氣門、管道、智能渦輪流量計等部分組成，如圖1 所示。

圖1 流量自動調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure diagram of flow automatic regulating device

流量自動調(diào)節(jié)裝置的流量顯示和設(shè)定界面采用LCD 顯示，可以設(shè)定校準所需的流量值參數(shù)，提供人機接口、顯示當(dāng)前實際流量值、開關(guān)控制、工作狀態(tài)指示、誤差比對等功能。開展校準工作時，流量調(diào)節(jié)裝置與被校流量分析儀通過軟連接對接，通過設(shè)置目標(biāo)流量值控制管道內(nèi)的氣體流量，待氣流穩(wěn)定后讀取被校流量分析儀的流量示值，流量示值與設(shè)置目標(biāo)流量值之差即為被校流量分析儀的流量示值誤差。

1.2.2 調(diào)節(jié)原理

流量分析儀流量自動調(diào)節(jié)裝置工作原理如圖2所示，自動控制模塊首先調(diào)節(jié)管道中的氣門開度到最大，而后通過通訊接口實時采集體積修正后的氣體流量參數(shù)，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)流量值與實際值的比值，驅(qū)動電機調(diào)節(jié)氣門到對應(yīng)的預(yù)置角度，然后通過PID 控制方式驅(qū)動角度電機微調(diào)氣門開度，達到設(shè)定的流量值。控制方式的具體過程：標(biāo)準流量計檢測值大于設(shè)定流量值時，減小流量調(diào)節(jié)氣門的開度，標(biāo)準流量計檢測值小于設(shè)定流量值時，增大流量調(diào)節(jié)氣門的開度，直至標(biāo)準流量計檢測值穩(wěn)定在設(shè)定流量值，整個調(diào)整過程全部自動化。

圖2 流量調(diào)節(jié)示意圖Fig.2 Flow adjustment diagram

1.2.3 技術(shù)難點及創(chuàng)新點

技術(shù)難點：由于空氣流體在氣門調(diào)節(jié)過程中會有較大擾動[11-12]，造成渦輪流量計示值穩(wěn)定時間隨之變長。主控制器讀取氣體流量參數(shù)并根據(jù)設(shè)定流量值對氣門進行旋轉(zhuǎn)控制以調(diào)節(jié)氣體流量，而氣體流量處于不穩(wěn)定狀態(tài)，因此主控制器讀取的流量值處于動態(tài)變化中，就會不斷地控制調(diào)節(jié)氣門進行旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致PID 控制無法正常進行，甚至出現(xiàn)系統(tǒng)一直處于采集實際流量值與控制氣門旋轉(zhuǎn)的無限循環(huán)中，無法正常進行流量調(diào)節(jié)。

創(chuàng)新點：通過在角度調(diào)節(jié)步進電機上安裝用于檢測流量調(diào)節(jié)氣門轉(zhuǎn)動角度的角度傳感器[13-14]，角度傳感器隨時將氣門位置信息傳給主控制器，主控制器獲取氣門位置信息后，根據(jù)設(shè)定值控制氣門進行相應(yīng)旋轉(zhuǎn)，然后通過實驗得出流量百分比-氣門角度關(guān)系。具體實驗過程：將調(diào)節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)區(qū)間（0°～90°）分成20 個旋轉(zhuǎn)單元，氣門從0°開始旋轉(zhuǎn)，每次旋轉(zhuǎn)4.5°，待示值穩(wěn)定后，分別測出氣門旋轉(zhuǎn)角度下所對應(yīng)的管道流量實際值，再分別計算出實際流量值與氣門初始角度0°時的流量百分比，最后推導(dǎo)出流量百分比-氣門角度特性曲線圖，具體數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 流量百分比-氣門角度特性曲線圖Fig.3 Flow percentage-valve angle characteristic curve

圖3 中的橫軸表示流量調(diào)節(jié)氣門的開合角度，縱軸表示對應(yīng)角度下管體的流量百分比。流量百分比是指流量調(diào)節(jié)氣門對應(yīng)開合角度下，設(shè)定流量值與實際流量值即標(biāo)準渦輪流量計讀數(shù)的比。流量調(diào)節(jié)氣門開合角度為零時，流量調(diào)節(jié)氣門開度最大。

在設(shè)定目標(biāo)流量值后，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動流量調(diào)節(jié)裝置的流量調(diào)節(jié)氣門開度到最大，根據(jù)流量百分比值-流量調(diào)節(jié)氣門角度關(guān)系，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動流量調(diào)節(jié)氣門轉(zhuǎn)動至設(shè)定流量值所對應(yīng)的角度位置，實現(xiàn)了流量調(diào)節(jié)氣門的粗調(diào)，進一步根據(jù)流量調(diào)節(jié)裝置的渦輪流量計檢測值，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動流量調(diào)節(jié)閥門進行轉(zhuǎn)動調(diào)整，此過程中，流量調(diào)節(jié)氣門的轉(zhuǎn)動角度很小，是一個微調(diào)過程，通過PID 微調(diào)達到理想的流量設(shè)定值。通過氣門粗調(diào)和微調(diào)2 個步驟，可以快速地實現(xiàn)將流量調(diào)節(jié)裝置氣體流量調(diào)整到設(shè)定流量值，根據(jù)設(shè)定流量值可以對流量分析儀進行流量校準。

2 實驗與結(jié)果分析

2.1 實驗數(shù)據(jù)

通過用標(biāo)準表法氣體流量標(biāo)準裝置（臨界流流量計）對流量分析儀流量校準裝置進行流量校準，得出校準數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 流量自動調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)Tab.1 Flow automatic adjustment data

用計時裝置對流量調(diào)節(jié)穩(wěn)定時間進行測量，從啟動調(diào)節(jié)到流量調(diào)節(jié)完成，不同的氣體流量調(diào)整時間差別不大，基本用時在10 s 左右。

2.2 實驗結(jié)果分析

從表1 數(shù)據(jù)可以看出，流量分析儀校準裝置流量自動調(diào)節(jié)范圍在（324～648）m3/h 內(nèi)，最大調(diào)整誤差為負0.89%，滿足JJF1385-2012《汽油車簡易瞬態(tài)工況法用流量分析儀校準規(guī)范》中測量標(biāo)準流量范圍（95～180）L/s、準確度等級1.5 級的要求，可以應(yīng)用于流量分析儀的流量校準。

根據(jù)測量出的10 s 左右穩(wěn)定時間可以看出，通過采取研究出的流量調(diào)節(jié)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速的流量調(diào)節(jié)功能。還可以根據(jù)實際需要進行系統(tǒng)升級：將調(diào)節(jié)氣門旋轉(zhuǎn)區(qū)間（0°～90°）分成的旋轉(zhuǎn)單元越多，氣門每次旋轉(zhuǎn)相應(yīng)單元的角度進行流量粗調(diào)時，氣門定位準確度就越高，氣體流量自動調(diào)節(jié)時間就越短，流量調(diào)節(jié)準確度就越高。

3 結(jié)語

對于流量分析儀由于手動調(diào)整氣體流量大小引起的問題，設(shè)計出一套流量分析儀校準用流量自動調(diào)節(jié)裝置。提出了一種用于流量分析儀流量校準的流量自動調(diào)節(jié)技術(shù)，采用在角度調(diào)節(jié)步進電機上安裝角度傳感器的方式，根據(jù)流量百分比-流量調(diào)節(jié)氣門角度關(guān)系實施主控制器對流量調(diào)節(jié)氣門的旋轉(zhuǎn)控制，通過粗調(diào)、微調(diào)2 個調(diào)節(jié)步驟可以使流量快速穩(wěn)定在設(shè)定流量值。分析出技術(shù)研究中的技術(shù)難點及解決方法，為流量分析儀的自動校準提供了可靠的方法。解決了現(xiàn)有技術(shù)中需要人工手動調(diào)整流量值而導(dǎo)致的校準效率低下的技術(shù)問題，提高了測量準確度。由于氣流擾動會對氣體流量信號的及時準確采集造成影響，因此根據(jù)氣體流量百分比-流量調(diào)節(jié)氣門角度關(guān)系進行的流量調(diào)節(jié)技術(shù)還可以應(yīng)用到其他通過采集流量信號來解決流量控制問題的研究中。