葉獻鋒，汪衛(wèi)華，張 靜

（河南省計量測試科學研究院，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]?？刂茩C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備，目前的校準方式是將標準流量計接到被測流量分析儀的出氣口，通過對比標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)整標準流量值的方式不能直接、準確設置標準值來控制氣體流量，存在3 次調(diào)整流量標準值重復性差，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準值重復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)整流量值而導致的校準效率和準確度低的技術(shù)問題。通過人機接口設置氣體標準流量值，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)設置方式實現(xiàn)氣體標準流量的自動控制，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定界面、主控制器、角度調(diào)節(jié)步進電機（步進電機上設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定界面采用LCD 顯示，可以設定校準所需的流量值參數(shù)，提供人機接口、顯示當前實際流量值、開關控制、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，通過設置目標流量值控制管道內(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，流量示值與設置目標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)設定的目標流量值與實際值的比值，驅(qū)動電機調(diào)節(jié)氣門到對應的預置角度，然后通過PID 控制方式驅(qū)動角度電機微調(diào)氣門開度，達到設定的流量值?？刂品绞降木唧w過程：標準流量計檢測值大于設定流量值時，減小流量調(diào)節(jié)氣門的開度，標準流量計檢測值小于設定流量值時，增大流量調(diào)節(jié)氣門的開度，直至標準流量計檢測值穩(wěn)定在設定流量值，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)設定值控制氣門進行相應旋轉(zhuǎn)，然后通過實驗得出流量百分比-氣門角度關系。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)氣門對應開合角度下，設定流量值與實際流量值即標準渦輪流量計讀數(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。

在設定目標流量值后，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)氣門角度關系，驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動流量調(diào)節(jié)氣門轉(zhuǎn)動至設定流量值所對應的角度位置，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)整到設定流量值，根據(jù)設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)

通過用標準表法氣體流量標準裝置（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》中測量標準流量范圍（95～180）L/s、準確度等級1.5 級的要求，可以應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)氣門角度關系進行的流量調(diào)節(jié)技術(shù)還可以應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。