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内燃机车随车油耗仪的研究 涛 孙立军 王 军 李 刚(天津大学电气与自动化工程学院 天津 300072)摘要 内燃机车随车油耗仪分别用涡轮流量传感器和数字集成温度传感器 测量柴油机进、回油管道的燃油流量和温度 ,并用智能流量积算仪完成流量测量的修正、耗油量的计算和存储等功能。从提高油耗仪测量精度的角度出发 ,对系统测量精度进行了分析 ,并重点介绍了提高涡轮流量传感器测量精度的措施。对智能流量积算仪的硬件、软件以及系统的抗振动和抗干扰措施进行了介绍。随车运行结果表明 ,油耗仪的测量精度达到 115 %。关键词 内燃机车 油耗仪 涡轮流量传感器 温度传感器 积算仪 J 00072 , in in of by at is At of of of is is on to of of by of of 115 % 引 言在我国铁路系统 ,铁路运输能耗成本支出约占运输成本总支出的百分之二十 1 。铁路运输仍以内燃机车占主导地位 ,在今后相当长的时间内这种状况仍不会改变。所以 ,内燃机车的燃油消耗是铁路系统运输成本的主要部分。如何对燃油消耗进行科学计量与管理是铁路部门的一个重要问题。内燃机车随车油耗仪 ,为这一问题的解决提供了一种有效的测试手段。十几年来 ,一直都有人对随车油耗仪进行研究 ,但未能达到理想的测量精度。通过系统测量精度的分析 ,从提高涡轮流量传感器的测量精度、优化硬件电路及进行算法修正补偿等入手 ,提高了随车油耗仪的测量精度。2 系统结构与测量原理211 系统结构随车油耗仪的总体结构如图 1 所示 。主要组成部分为 :进、回油管道涡轮流量传感器及温度传感器 ;智能流量积算仪 ;导线及附件。进、回油管道上各安装一只 L 涡轮流量传感器 ,用来测量工况下管道燃油体积流量。在每只涡轮流量传感器上嵌有一只 度传感器 ,用来测量燃油的温度 ,从而进行温度补偿。从传感器第 26 卷第 2 期 仪 器 仪 表 学 报 2005 年 2 月X 本文于 2003 年 5 月收到。得到的信号 ,经信号线传送到智能流量积算仪进行处理。图 1 油耗仪总体结构212 系统测量原理在机车供油系统中 ,从燃油箱来的燃油流经进油管道 ,流量为 1800 2500l/ h ,经过柴油机消耗 ,剩余燃油经过回油管道流回油箱 ,流量为 1500 2500l/ h。通过计算进、回油管道的流量差值得到油耗量 ,燃油消耗量为 15 600l/ h ,是一种典型的大流量小消耗量的测量系统。在进、回油管道上各安装一只涡轮流量传感器 ,用来得到进、回油管道的流量信号并送智能流量积算仪进行处理。积算仪对进、回油管道流量信号进行处理 ,并做温度修正 ,得到进、回油管道标态体积流量 ,然后对进、回油管道的流量进行差值计算 ,累加得到实际燃油消耗量。213 精度分析目前 ,要求随车油耗仪的测量误差在 115 %范围内。虽然涡轮流量传感器的精度已达到 015 % ,但如果不采取措施进一步提高其计量精度 ,不对测量数据进行必要的修正处理 ,仍会给最终的油耗量计量带来很大误差。应用误差传递理论 2 来分析系统误差。油耗计算公式为 :Q = 1)式中 :Q 为实际耗油量 ,l/ 进油管道燃油流量 ,l/ 回油管道燃油流量 ,l/ Q 为 : Q = ( 2 + ( 2 1/ 2 (2)式中 : 进油管道燃油流量测量误差 ,l/ h 回油管道燃油流量测量误差 ,l/ 000l/ h ,则每只涡轮流量传感器的计量误差为 : 2000 015 % = 10l/ 2) ,得到 : Q = 14114l/ 燃油消耗约 20l/ h ,则系统误差为 :100 % 14114/ 20 = 7017 %当燃油消耗为 600l/ h 时 ,系统误差为 :100 % 14114/ 600 = 2136 %由以上分析可知 ,系统将不能实现精度要求。内燃机车平均耗油量取 200l/ h ,燃油流量取 2000l/ h ,可以计算 ,系统测量误差为 115 % ,则涡轮的测量精度需达到 01106 %。因此 ,需要提高涡轮测量精度、进行误差修正计算 ,并提高数据处理的精度 ,使计算误差降到可以忽略不计的程度。3 流量测量与修正采用涡轮流量传感器测量燃油流量 ,数字集成温度传感器 量燃油的温度 ,并进行测量修正。311 流量测量涡轮流量传感器的结构如图 2 所示 。它主要由壳体、整流器、叶轮、轴与轴承和信号检出器组成。当流体流经传感器时 ,冲击叶轮的叶片 ,使叶轮产生旋转。在一定的流量范围内 ,叶轮的转速与流体流速成正比。叶轮的转速通过装在壳体外的信号检出器来检测。信号检出器输出与流速成正比的脉冲信号。图 2 涡轮流量传感器的结构1 前整流器 2 轴承 3 涡轮4 壳体 5 信号检出器在测量范围内 ,传感器输出的脉冲频率与体积流量成正比 ,这个比值即体积仪表系数 K ,其计算公式为 :K = 3600 f/ Q 或 K = N/ V (3)式中 :f 为流量信号频率 ,体积流量 ,l/ 脉冲数V 为体积总量 ,预先置入智能流量积算仪中 ,其中351第 2 期 内燃机车随车油耗仪的研究的单片机就可以由获得的流量脉冲频率 f 与仪表系数。312 流量测量修正L 涡轮流量传感器的量程范围为 016 610h。油耗仪实际使用的流量范围为 115215h ,此流量范围恰好处于涡轮流量传感器特性曲线中线性特性较好的区段。而且相对于涡轮流量传感器 10 1 的量程比来说 ,此流量范围仅为较小的一个区段。所以 ,涡轮流量传感器在油耗仪中应用 ,其测量精度已有很大提高。在温度、流量可调整的燃油量校验装置上进行的实流实温标定显示 ,在此流量范围内 ,测量精度优于 011 %的传感器占所标定的涡轮流量传感器总数的 50 %。为满足油耗仪对涡轮流量传感器的精度要求 ,主要采取了以下措施。31211 燃油流动状态的影响涡轮流量传感器的特性直接受流体流动状态的影响 ,对传感器进口的流速分布尤为敏感。进口流体的旋转或流态的突变可使测量误差达到不能忽略的程度 ,其影响可使仪表系数变化 2 %甚至更多。所以 ,在涡轮流量传感器的前、后分别安装了 20 10用以稳定燃油流态。内燃机车上的回油管道处于无压流状态 ,燃油经常不能充满管道 ,所以在涡轮流量传感器下游安装了“上凸”型背压管 ,使燃油充满管道。从而保证涡轮流量传感器测量精度不受影响。31212 温度的综合影响温度变化引起燃油粘度变化 ,从而引起涡轮流量传感器特性曲线的变化 ,会使体积仪表系数 增大测量误差。在不同温度时燃油的运动粘度如表 1 所示。表 1 在不同温度时燃油的运动粘度温度 / 13 20 30 40 50 60 72运动粘度 / (s - 1)5177 4190 4109 3125 2169 2126 2103由表 1 数据可见 ,在燃油的温度为 13 72 范围内 ,燃油运动粘度的变化幅度并不很大。所以 ,可以认为由于温度变化引起燃油粘度变化 ,所造成的体积仪表系数漂移幅度不是很大。无需对粘度影响进行专门修正。另外 ,在温度变化幅度较大时 ,由于涡轮流量传感器壳体、叶轮、轴和轴承的热胀冷缩 ,其体积仪表系数于既要修正单纯由于温度变化引起的体积仪表系数 又要考虑温度变化引起燃油粘度变化造成的体积仪表系数 K 的漂移 ,所以 ,在温度、流量可调整的燃油量校验装置上进行大量实验 ,得出了仪表系数 K 的温度综合影响修正系数。在现场使用时 ,根据燃油的实际温度对体积仪表系数 而减小了温度变化对涡轮流量传感器测量精度的影响。31213 温度体积修正经过实际测量 ,在机车运行时 ,进、回油管道中的燃油温度高于油箱温度可达 30 左右。由于燃油的热胀冷缩 , 这会给油耗计量带来很大误差。根据“ 标准体积公式可得柴油体积换算公式 : 1 - C(t - 20) (4)式中 :0 时的体积 ,柴油温度 , 柴油在 t 时的体积 ,1C 为柴油体积温度系数也是最终需要得到的燃油体积量。柴油密度为 0184l 时 ,C = 0100068 ,设 t = 50 ,代入公式 (4) 得 : 019796 110208如不进行温度体积补偿 ,则会带来约 2 %的误差 ,显然这一误差超出了系统测量精度的要求。根据公式 (4) ,可以分别对进油和回油管道的工况体积流量进行体积修正 ,得到标准状态下的体积流量 ,再用公式 (1) 计算出在标准状态下的燃油消耗量。31214 实流实温标定由于机械加工和装配误差的存在 ,不同个体的涡轮流量传感器 ,其体积仪表系数 了提高流量测量精度 ,在温度、流量可调整的燃油量校验装置上 ,对涡轮流量传感器进行逐台实流实温标定。严格筛选 ,剔出不合格产品 ,且保证同一台机车安装的两只传感器具有相近的特性曲线。实流实温标定的典型数据如表 2 所示。表中 1 # 、2 # 、 3 # 分别代表三个不同的 L 涡轮流量传感器。由于实际使用的流量范围为 115 215h ,所以选择 115、 210 和 215h 为标定流量点。标定温度分别为 30、 40、 50 和 60 。表中给出了不同温度下 ,不同流量点的体积仪表系数 K(l/ l) 、线性度误差和重复性。451 仪 器 仪 表 学 报 第 2 6 卷 表 2 实流实温标定数据Q/ (h) 115 210 215 线性度 重复性1 #30 7341308 7321961 7321961 010918 % 0106 %40 7341628 7331741 7331428 010817 % 0104 %50 7351881 7351951 7361641 010516 % 0106 %60 7371481 7371404 7381058 010443 % 0106 %2 #30 8121208 8121058 8121411 010218 % 0107 %40 8111904 8121051 8121171 010164 % 0106 %50 8151334 8141934 8141438 010550 % 0106 %60 8151487 8151871 8151081 010484 % 0106 %3 #30 8111241 8101848 8101571 010413 % 0107 %40 8091738 8091338 8101884 010954 % 0105 %50 8131698 8121778 8121828 010771 % 0106 %60 8141924 8131381 8131524 010947 % 0107 %313 温度测量应用 字集成温度传感器来测量温度 ,从而进行燃油流量测量的修正。其测温范围为 - 55+ 125 ,在 - 10 + 85 范围内测量精度为 015 ,可调分辨率为 9 12 位。由于回油温度比进油温度高5 左右 ,所以在两个涡轮流量传感器上分别嵌有温度传感器 ,用来测量进、回油管道中燃油的温度。在涡轮流量传感器壳体上钻有很深的盲孔 ,温度传感器的感温部位紧贴孔底 ,与被测燃油仅隔一层薄壁 ,并用环氧树脂将其封在孔中 ,同时具有与外界隔绝的作用 ,这样保证了测温的准确性。4 智能流量积算仪智能流量积算仪是随车油耗仪的核心部分 。积算仪硬件电路的集成度和可靠性都很高 ,可忽略其计算误差。积算仪同时对两路流量信号、两路温度信号进行处理 ,并进行温度补偿计算 ,分别得到修正后的进、回油管道的标态体积流量 ,然后进行流量差值计算及流量积算 ,显示瞬时耗油量。可以记录 62 个乘务班的油耗量和交接班时间 ,并能通过按键进行历史数据查询。采用外置手操器方式进行参数设置、时钟设置、累积流量及掉电时间清零。411 电路设计图 3 所示为智能流量积算仪的电路结构 ,其核心为 58B 单片机 ,它属于 列 ,自带 32为程序存储器 ,可以满足积算仪的需要。在输入通道中 ,两路流量信号均采用了光电隔离 ,具有较好的抗干扰性能。两路温度信号为双向数字信号 ,没有采用光电隔离。实践证明 ,工作较为可靠。数据存储器采用内嵌锂电池的 可对存储器的数据进行长达 10 年的掉电保护。积算仪的人机界面采用L 码管进行数据显示 ,三个键的面板键盘进行显示内容切换 ,十六键可插拔手操器用于参数设定 ,操作使用简单方便而且安全可靠。内燃机车上是 110V 直流供电 ,而且质量较差。积算仪采用了一种具有高抗干扰性能的开关电源 ,将直流 110V 变为相互隔离的 52V 电源 ,分别为单片机系统和流量传感器供电。图 3 智能流量积算仪的电路结构412 程序流程积算仪的系统软件采用 制。软件主程序流程图如图 4 所示。软件主要功能包括 :读入两路流量脉冲信号及温度传感器信号并分别进行处理 ;瞬时流量、总累积流量的计算及显示 ,各班次累积流量和交班时间的存储 ;手操器的操作 ;时钟的计时显示 ;面板按键上翻、下翻查询历史数据及火车司机交接班操作 ;掉电时间的计算及显示等。图中 , 进、回油管道的温度信号 , 油管道的标态流量。图 4 主程序流程图413 抗振动和抗电磁干扰措施为了适应内燃机车恶劣的工况环境 ,在抗振动和抗电磁干扰方面随车油耗仪采取了许多措施 ,在此作简要介绍。551第 2 期 内燃机车随车油耗仪的研究在抗振动方面 :将涡轮流量传感器的轴加粗 ,以增加 其抗振动和抗燃油冲击的能力 ;将涡轮流量传感器信号检出器的高度降低 ;在信号检出器与涡轮流量传感器壳体联接时 ,安装了锁紧螺母 ;积算仪的全部芯片除单片机外 ,直接焊在线路板上 ;积算仪的安装支架直接焊在内燃机车的操作台上 ;尽可能减少采用螺栓螺母联接及锁紧结构 ,如确实无法避免 ,则采用自锁螺母。在抗电磁干扰方面 :积算仪采用了铝制表壳 ,具有较好的电磁屏蔽作用 ;所有信号传输线均采用带有屏蔽层的信号传输电缆 ;采用了一点接地抗干扰技术 ;在传感器与积算仪的接口部分 ,采用了光电隔离器件 ,确保单片机系统的可靠工作 ;在电路中采用了硬件看门狗器件 ,确保系统程序跑飞后能够可靠复位。实验证明在采用以上措施后 ,系统能够可靠运行 ,尚未出现由于振动和电磁干扰引起的故障。5 实 验2002 年 6 月底 7 月初 ,在 10 台内燃机车上安装了油耗仪 ,并在天津北机务段运用车间设点 ,记录油耗仪的运行情况、油耗量和内燃机车的发油数。部分数据如表 3 燃油发油数与油耗仪示数对照20021612820021612920021613020021711200217120387 发油数 / l 2000 1800 2800 1900 2100塘沽至肃宁北油耗仪 / l 1975 1780 2831 1878 2127误差 - 1125 % - 1111 % + 1111 % - 1116 % + 1129 %1498 发油数 / l 2200 2500 1800 1700 1900南仓至塘沽油耗仪 / l 2215 2527 1776 1719 1875误差 + 0168 % + 1108 % - 1133 % + 1112 % - 1132 %6160 发油数 / l 4000 2700 4500 4700 2800南仓至石家庄油耗仪 / l 4041 2675 4445 4759 2764误差 + 1101 % - 0193 % - 1122 % + 1126 % - 1129 %表 3 所示。表中“发油数”为机车