王冬 姜偉 陳斐 鄒康平

為了更好地發(fā)揮熱式氣體質量流量計在非道路單缸柴油機排放試驗中的作用，在介紹熱式氣體質量流量計測量原理的基礎上，分析了熱式氣體質量流量計在非道路單缸柴油機排放試驗中的重要性及其測量不確定度的評定方法，從而使測量結果更加可信。

熱式氣體質量流量計;測量原理;不確定度;測量結果

0?前言

目前，隨著國內各界對非道路柴油機的排放問題越來越重視，相應的排放法規(guī)及標準要求也越來越高，對排放檢測機構的能力要求提出了挑戰(zhàn)。氣體質量流量計在非道路單缸柴油機排放試驗中十分重要，它與排放污染物的測量及計算有著直接的關系，所以流量計的選用及測量準確度極其重要。熱式氣體質量流量計（以下簡稱“熱式流量計”）廣泛應用于發(fā)動機檢測中，本文著重對上海同圓TOCEIL-20N060型號的熱式氣體質量流量計的原理及測量不確定度進行較為深入的分析。

1?熱式流量計的工作原理

1.1?工作原理

TOCEIL-20N060熱式流量計是專門針對非道路單缸柴油機（以下簡稱“柴油機”）進氣流量測量設計，用來對柴油機的進氣流量進行測量，通過傳感器信號轉換測得柴油機排放試驗中各個工況點的進氣流量數(shù)據(jù)。

TOCEIL-20N060熱式流量計是按照熱膜式原理設計的。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]。熱式流量計有2個傳感元件，1個是速度傳感器，另1個是溫度傳感器，這2個傳感器安裝在經過濾芯之后的不銹鋼管壁上。當流量計通電以后，速度傳感器會升溫，達于外界空氣溫度（進氣溫度）之后停止升溫。當柴油機起動之后，空氣經過流量計進入柴油機進氣系統(tǒng)。這時因為空氣流動，導致速度傳感器熱量流失，溫度下降，2個傳感器之間的溫度差也發(fā)生了變化，與此同時速度傳感器內部集成自動運算加大電流使速度傳感器升溫，以維持2個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系，可以得到進入到柴油機的空氣質量流量。

1.2?整體結構

TOCEIL-20N060熱式流量計測量管徑為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，輸出信號通過數(shù)據(jù)線連接到外接顯示裝置上。

TOCEIL-20N060熱式流量計的設計安裝優(yōu)于一般的氣體流量計，整體結構簡單，安裝方便，測量準確。TOCEIL-20N060熱式流量計直接測量氣體的質量流量，而一般的氣體流量計測量值是體積流量，容易受外界環(huán)境的干擾。在柴油機的排放試驗中，進氣流量是1個非常重要的試驗參數(shù)，數(shù)據(jù)的準確性和穩(wěn)定性要求有穩(wěn)定且準確的流量計。

2?熱式流量計在排放檢測中的應用

2.1?選擇合適的穩(wěn)壓筒

非道路單缸柴油機是間斷方式進氣[2]，特別是小功率四沖程單缸機，吸氣過程為間歇而周期性地進行，所以進氣管內氣流的速度和壓力均會產生一定的波動，有時還會產生強大的脈動氣流，所以在安裝熱式流量計的時候需要增加穩(wěn)壓筒。

穩(wěn)壓筒的容積選擇與柴油機的排量相關，一般推薦穩(wěn)壓筒的容積為柴油機氣缸容積的200倍，這樣能更好地降低脈沖氣流對熱式流量計測量的影響。

2.2?聯(lián)接方法

當測量不同柴油機的進氣流量時，需要按圖2所示的方式將熱式流量計聯(lián)接到發(fā)動機的進氣口。

2.3?使用環(huán)境

熱式流量計在使用過程中對環(huán)境也有一定的要求，極端的環(huán)境會影響電子儀器的正常使用，同時不利于后期的保養(yǎng)維修工作。TOCEIL-20N060應在以下環(huán)境條件范圍內使用：（1）環(huán)境溫度0～70 ℃;（2）環(huán)境濕度10%～85% RH;（3）振動較小，空氣流通，無強烈的感應干擾，不易產生靜電和磁場。

2.4?熱式流量計標準不確定度的評定方法[3]

2.4.1?熱式流量計引入的標準不確定度

TOCEIL-20N060熱式流量計的最小分辨力是0.1 kg/h，將其按均勻分布考慮，包含因子k=3，因此熱式流量計的標準不確定度為0.058 kg/h。

2.4.2?熱式流量計校準器引入的標準不確定度

對熱式流量計進行校準使用的是噴嘴氣體流量標準裝置，從流量計的校準證書中可知其擴展不確定度為0.3%，k=2，因此標準不確定度為0.001 5 kg/h。

2.4.3?重復性標準不確定度

對某一型號柴油機的標定工況在同一環(huán)境條件下重復測量10次，然后在其他5種不同環(huán)境條件下進行類似測量，這樣可以得到6組流量測得值，計算各組單次測量的標準差并將其合并，作為各組單次測量的重復性標準不確定度。各組測量結果如表1所示。

各組合并標準差S為0.31 kg/h，單次測量重復性標準不確定度為0.31 kg/h。

2.4.4?復現(xiàn)性標準不確定度

通過表1的試驗數(shù)據(jù)，可以得出在不同環(huán)境條件下流量計的復現(xiàn)性標準差。表1中所有測量值的平均值為29.58 kg/h，所有組單次測量復現(xiàn)性標準差為0.37 kg/h，所有組單次測量復現(xiàn)性標準不確定度為0.37 kg/h。

2.4.5?合成不確定度

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，可計算合成標準不確定度為0.49 kg/h。

2.4.6?擴展不確定度

由于被測量值接近于正態(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，則熱式流量計的擴展不確定度為U95為1.0 kg/h。由上述分析可得，測量結果可以表示為53.6±1.0 kg/h。

3?結論

熱式流量計的正確選用、合理安裝、使用環(huán)境在非道路柴油機排放試驗中起著十分重要的作用，可幫助研究人員準確地獲取柴油機的進氣流量，準確計算排放結果，從而大幅提高了排放試驗的準確性和可靠性。在熱式流量計不確定度的計算過程中，研究人員給出了4個影響熱式流量計測量精度的不確定度分量的來源，分別對各個不確定度分量進行了計算，最后得到了熱式流量計的擴展不確定度，從而提高了熱式流量計在實際使用中的測量準確性和排放試驗的可靠性。

[1]梁國偉，文英杰，黃震威，等.熱式氣體流量計原理及影響因數(shù)分析研究[J].中國計量學院學報，2008，19（3）：202-203.

[2]程慶瀾，吳小江.單缸柴油機進氣管氣流運動和壓力波動的研究[J].內燃機工程，1995，16（2）：46-47.

[3]倪育才.實用測量不確定度評定[M].北京：中國質檢出版社，2014.