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车用油耗仪检定方法与装置的研究Study on the Calibrating Method and Apparatus of the Fuel Consumption Meter 提要提要燃油消耗量是评价汽车经济性能的主要指标,而油耗仪则是测量车辆燃油 消耗量的主要仪器，油耗仪的精确度直接影响着汽车经济性能的评价。目前，现有的油耗仪检定装置多数是依靠天平或量筒手动进行检定,检定过程不仅耗 时费力，还会因为人为因素而带来检定误差，致使计量部门对该项工作无法有 效进行。针对现有油耗仪检定装置的缺陷，本文以检定的可操作性、检定速度和准 确度为出发点，根据非电量质量法检定原理，研制了油耗仪检定装置，实现了 对各种类型的油耗仪进行快速准确检定的目的。为了实现检定的准确化、自动 化、程序化，从液压系统、硬件设备、软件等方面对其进行合理的匹配，以求 得更高的检定精确度及检定效率；分析了本油耗仪检定装置的误差来源，提出 了减少误差的措施，并对检定装置的误差进行了有效的修正补偿。为了验证检 定装置的精度满足检定要求，对检定装置进行了不确定度的计算，从量化上保 证了检定装置的精确度；对油耗仪检定装置进行了标定，从物化上保证了该检 定装置测量结果的准确性，并且根据试验结果对检定装置进行了分析。关键词：油耗仪 检定方法 检定装置 误差分析 不确定度目录目录第一章结论.11.1 汽车检测设备量值溯源的意义及相关计量检定标准.11.2 汽车油耗检测的发展概况.21.3 国内外汽车油耗仪检定研究现状.31.4 论文来源及研究意义.31.5 论文研究的主要内容.4第二章 油耗仪检定理论基础.52.1油耗仪的类型、结构和工作原理.52.2 汽车油耗的测定方法.82.3 汽车油耗仪检定技术项目.92.4 油耗仪检定的方法.10第三章 汽车油耗仪检定系统的设计.133.1 系统的总体设计.133.1.1 系统设计的要求.133.1.2 检定系统的整体布置.133.2 检定装置机械结构部分的设计.153.2.1 检定装置的测量原理.153.2.2 检定装置的机械结构设计.163.2.3 检定系统的安全预警原理.183.2.4 检定装置燃油供给系统的研究.193.3 油耗仪检定方法.223.4 硬件部分的设计.243.4.1 概述.243.4.2 系统控制.253.4.3 力传感器选型.263.4.4 A/D、D/A 板选择.283.4.5 模拟放大器的选择.303.4.6 智能数字仪表.31347系统电源设计.323.5 检定控制系统.333.6 测控系统的抗干扰设计.39I吉林大学硕士学位论文3.6.1 硬件抗干扰措施.393.6.2 软件抗干扰措施.413.7 软件设计.423.7.1 软件总体设计.433.7.2 系统设置模块.433.7.3 系统自检模块.453.7.4 自动检定模块.453.7.5 数据管理及打印模块.503.7.6 帮助模块.513.8 一体化检测系统检测流程.51第四章汽车油耗仪检定精度的研究.534.1 误差分析及修正.534.1.1 误差分析.534.1.2 系统误差修正.564.2 系统标定.584.3 检定装置不确定度的分析.604.3.1 油耗仪检定装置量值溯源方案.604.3.2 不确定度概论.614.3.3 不确定度的计算.62第五章实验验证和数据分析.675.1 试验台检定.675.2 试验验证及数据分析.67第六章总结.716.1 论文总结与展望.716.2 论文取得的成果.72参考文献.73摘要.IAbstract.V致谢.IXII第一章绪论第一章绪论1.1 汽车检测设备量值溯源的意义及相关计量检定标准随着汽车工业的不断发展，汽车成为了人们工作与生活中必不可少的交通 工具。它为人类造福的同时，也带来诸如交通安全、环境污染等问题。因此,控制污染，降低油耗，是我们有待解决的问题。汽车性能检测设备的量值不准，自身的技术指标不合格，也就谈不上去开 展汽车性能检测。遗憾的是国内这种现象普遍存在，由它检测汽车也就毫无意 义可言。所以将汽车检测设备的量值定期溯源到国家计量基准上，先保证检测 设备本身的技术状态良好，才能确保被检车辆的结果准确可靠山。因此，根据 汽车性能检测设备的相关计量标准，对汽车检测设备的技术指标进行定期检定 与测试具有重要意义。为了配合汽车检测工作，保证汽车检测质量，国内已发布实施了有关汽车 检测设备的计量检定规程十几项，如机动车安全检测设备检定技术条件中 对烟度计、前照灯检测仪等设备的检定技术要求、检定仪器、检定方法进行了 明确规定。这些标准的实施规范了汽车检测设备，使设备的质量从生产厂家 到汽车性能检测站，基本做到了有法可依。在对常用的汽车检测设备进行检定中所使用的检定方法多是对力、位移或 质量等量值的检验，根据设备的实际情况，在标准中对设备精度规定的范围相 对较宽。如交通部计量检定规程容积式油耗仪检定规程中对容积式油耗仪 是通过祛码或标准量器进行检定的。油耗仪在规定流量范围内，准确度为0.5 级和1.0级时，其示值允许误差分别不超过0.5%、1.0%0滚筒反力式制动检 验台检定规程中对制动台的检验主要是对制动力的检验，采用祛码或测力仪,通过杠杆将力传递到滚筒的传感器上，制动力不大于4%F.S：不超过0.4%,大于4%F.S的：不超过5%。滑板式汽车侧滑检验台检定规程中对侧滑 量的检定是通过百分表进行的，示值误差不超过0.2m/k mK。由于以上设备的 检定参数之间不具有相关性，可使用通用检具分别进行检定，检定基准自然形 成或容易确定，且对检定仪器精度要求相对较低，因此，绝大多数的汽车检测 吉林大学硕士学位论文设备在出厂和使用过程中都得到了有效的检定，对车辆运行状况的提高起到了 良好的效果。1.2 汽车油耗检测的发展概况上世纪七十年代中期以前:世界各国还没有强制执行汽车油耗法规或标 准。1973年中东石油危机后，世界石油价格飞涨。此外，石油资源的逐渐枯 竭，也威胁到人类长远的正常生活-。许多工业发达国家同时也是石油主要进口 国，他们进口的石油有相当大的部分消耗在汽车上，从能源的安全性考虑，如 果不控制汽车的油耗，他们的经济发展可能会受控于石油出口国。于是1975年 美国政府首先颁布了能源保护法和能源政策，并制订了控制汽车燃油消耗量的 法规，成为世界上第一部强制执行的汽车油耗法规。上世纪八十年代以来，世界各国开始关注温室效应引起的全球范围的气候 变暖。二氧化碳(C02)是造成温室效应的主要因素，各种温室气体中C0 2约 分担了50%的责任，工业发达国家汽车排放的CO2约占该国CO2总排放量的 30%-40%。由于汽车的燃油消耗量与CO2的排放量有直接关系，于是，油耗 法规的意义不单是能源问题，还联系到CO2的降低问题。显而易见，研究汽车燃料经济性对汽车节能、环境保护的意义重大。为此,世界各国都把降低汽车能耗作为一项基本国策，并成为汽车制造和交通运输领 域的重要课题。我国汽车行业从八十年代初就开始了制定汽车油耗标准的工 作，制定了测各类车辆燃油消耗量的统一试验方法标准，并颁布了各类车辆的 行业性燃油耗量限值标准，如：1)GB/T 12545-1990汽车燃料消耗量试验方法；2)JB 380 9-1984载货汽车燃料消耗量限值；3)JB 380 6-1984重型载货汽车燃料消耗量限值；4)GB/T 12545.1-20 0 1乘用车燃料消耗量试验方法；由于这些都是行业性或推荐性的标准，加上油耗检测起来相对麻烦，所以 国内多数检测站没有油耗检测项目或者是有而不用，所以把油耗检测真正纳入 检测项目中来也是我国有待解决的问题。2第一章绪论1.3 国内外汽车油耗仪检定研究现状由于燃油紧缺对汽车油耗这一参数提出了很高的要求，因此油耗仪作为其 检测设备也应具有相应的精度。现有的油耗仪在出厂前通常只通过精密天平或 者量筒对其进行标定。长期以来，油耗仪在生产和使用过程中缺乏检验装置进 行全面有效检定，导致油耗仪失准，这是现有油耗仪质量失控的主要原因。目前国内外在油耗检定方面，存在一些相关理论研究，但真正实际运用的 很少。国内理论上相对比较成熟的是天津大学内燃机研究所研究的容积式油耗 仪检定装置。它是应用不可压缩粘性流体的片流运动理论和高精度的计时手 段，采用测定体积流量的质量法，对油耗仪进行检验和检定。但该检定方 法自动化程度较低，影响检定结果因素较多，难于在计量部门应用和推广。国外，九十年代，美国推出了一种新型的燃油流量校准装置，该装置采用“动态位移一时间法”测量原理。但该系统控制困难，装置制造精度要求 特别高。1.4论文来源及研究意义受吉林省质量技术监督局的委托，吉林大学汽运研究所负责汽车油耗仪检 定装置和检定规程的制定，本研究课题就是该课题的一个子课题。安全、节能、环保是汽车制造行业面临的三大课题。我国的石油消耗在过 去20年里以每年5%的速度增加。随着我国汽车保有量的逐年增加，石油消耗 量将继续大幅度的增长，权威统计显示，机动车消耗了全国石油总产量的85%,柴油总产量的42%。2005年石油需求量达2.5亿吨，到2010年将达到2.7-3.1亿 吨，而国内年产量仅能达到1.65-2.0亿吨，供需缺口为1.0 5-1.1亿吨。目前，快速 增长的石油消耗造成的能源等问题己经出现，短缺的石油供应与经济快速发展 带来石油需求间的矛盾突出。石油能源短缺和环境问题的严峻迫使人们关注 汽车燃料经济性。检测汽车燃油消耗量常通过油耗仪测定单位时间内燃油消耗量的容积或 质量来表示。燃油消耗率是评价内燃机经济性的重要指标，是内燃机的重要参 数，其测量结果、精确度直接影响内燃机的实际性能指标、各技术参数的确定 3吉林大学硕士学位论文和主要附件的选配、匹配等问题。准确评价汽车燃油经济性，对评价在用汽车 技术状况，诊断和分析汽车故障也具有重要的意义。1.5论文研究的主要内容尽管油耗仪应用广泛，但目前我国对汽车油耗仪却没有统一的检定标准、方法和装置。本文在原有理论基础上，对油耗仪的检定方法和检定装置作了进 一步的研究和探讨，并根据实际需要，提出了一种对油耗仪进行快速准确检定 的装置，本文的主要研究内容如下：1、首先对油耗仪的类型、机构和工作原理进行简单的阐述，分析了现有 的油耗仪检定方法，提出非电量质量式检定方法。2、其次，本课题在液压研究基础上，开发结构简单又能快速、准确检定 油耗仪测量精度的装置，以计算机作为主控系统，实现数据的采集，处理及打 印报告等功能，使其实现检定的自动化或者半自动化。除此之外，还设计了一 套简易的检定装置，以便实现现场现场检定的方便与需要。3、分析本检定装置的主要误差来源，提出减少误差的改进措施，并对其 检定结果进行修正补偿。根据行业标准对检定装置的要求，对检定装置的不确 度进行了计算。4、设计本检定装置的标定方案，利用该检定装置对两台油耗仪（一台容 积式油耗仪、一台质量式油耗仪）进行检定，并对检定结果进行分析。4第二章油耗仪检定理论基础第二章油耗仪检定理论基础2.1油耗仪的类型、结构和工作原理汽车的燃料消耗量是用油耗仪（包括油耗传感器和二次仪表）来测量的。目前油耗计种类繁多，按测量方法可分为：容积式油耗计、重量式油耗计、流 量式油耗计、流速式油耗计。大多数油耗计都能连续、累计测量，但测试的流 量范围和流量误差各不相同。1、容积式油耗传感器的结构原理容积式油耗传感器有容量式和定容式两种，容量式油耗传感器通过累计发 动机工作中所消耗的燃料总容量，用时间和里程来计算油耗量。它可以连续测 量，其结构有行星活塞式、往复活塞式、膜片式、油泡式等，现以行星活塞式 油耗传感器为例予以说明：其流量检测装置是由流量变换机构及信号转换机构组成。流量变换机构是 将一定容积的燃油流量变为曲轴的旋转运动，它是由十字形配置的四个活塞和 旋转曲轴构成，其工作原理如图2-1所示。燃油在泵油压力作用下推动活塞运动，再由活塞运动推动曲轴旋转，曲轴 旋转一周即四个活塞各往复运动一次，完成一个进排油循环。活塞在油缸中处 于进油行程还是排油行程,取决于活塞相对于进排油口的位置。曲轴旋转一周，各缸分别排油一次，其排油量可用下式确定：V=47iD2-2h/4=2h 7iD2式中：V四缸排油量，c n?；4-代表四个油缸；江）2-代表某一活塞截面积，c n?；2h-2倍制的曲轴偏心距（c m）即活塞行程。5吉林大学硕士学位论文图2-1容量式油耗仪流量变换机构信号转换机构如图2-2所示，装在曲轴的另一端，由主动磁铁、从动磁铁、转轴、光栅板、发光二极管、光敏管、电缆插座及壳体等组成。主动磁铁装在 曲轴上，从动磁铁装在转轴上，转轴通过轴承支承在壳体内，转轴的上端固定 有转动光栅板，在固定光栅上、下方有发光二极管和光敏管。当曲轴转动时，由于一对永久磁铁的吸引作用，转轴及其上的转动光栅也随之转动，通过发光 二极管和光敏管的光电作用，把曲轴的转动变成光电脉冲信号送入计量显示 仪，经过内部运算处理后，即可显示出流经的燃油量。6第二章油耗仪检定理论基础1.信号端子2.转动光栅3.转速/脉冲交换部4.流量/转速交换部5.活塞6.磁性联轴节7.固定光栅8.光敏管图2-2容量式油耗仪信号转换机构2、质量式油耗传感器的结构原理质量式油耗传感器由称量装置、计数装置和控制装置组成，如图2-3所示。称量装置的秤盘上装有油杯1,燃油经电磁阀4加入油杯。电磁阀的开闭由装在 平衡块上的行程限位器7拨动两个微型限位开关5和6来控制。光电传感器给出 油耗始点和终点信号，它由两个光电二极管8、9和装在棱形指针上的光源10 组成，光电二极管8为固定式，光电二极管9装在活动滑块上，滑块通过齿轮齿 条机构移动，齿轮轴与鼓轮12相连，计量的燃油量通过转动鼓轮12从刻度盘上 读出。计量开始时，光源10的光束射在光电二极管8上，光电二极管发出信号,使计数器13开始计数，随着油杯中燃油的消耗，指针移动。当光束射到光电二 极管9上时，光电二极管9发出信号，使计数器停止计数。上述质量式油耗仪有7吉林大学硕士学位论文一个系统误差，即测量时油杯中油面高度发生变化，伸入油杯中的油管浮力的反作用力也变化,造成称量时的系统误差。发动机0 bgd4 3燃油箱12V控制装量0io1.油杯2.出油管3.加油管4.电磁阀 5、6.限位开关7.限位器8、9.光电二极管10.光源11.鼓轮机构 12.鼓轮 13.计数器76图2-3质量式油耗仪结构原理图2.2 汽车油耗的测定方法汽车燃油消耗检测中可通过汽车道路试验检测，在路试检测油耗时，一般 采用油耗传感器与非接触式或接触式第五轮仪配合使用。由于按照国标采用道 8第二章油耗仪检定理论基础路试验测量燃油消耗受到种种条件限制，因此现在多数都是以整车在底盘测功 试验台上按照国标模拟道路试验检测其燃油经济性。在汽车工业发展的初期，发动机燃油消耗的测量是采用容积法、质量法和 流量计量法。这些方法依靠测量容器、天平、流量计和秒表，用手工和目测进 行，由于其简单，一直被沿用到20世纪70年代，才逐渐被自动油耗仪替代。自动化油耗仪的使用，有效的提高了测试精度和效率，降低了实验人员的劳动 强度。归纳起来，现在主要有以下儿种测定方法：其一为质量法，即采用质量式油耗传感器在底盘测功试验台上进行油耗检 测。国内的山东龙口电子设备厂AM-20 18型、四川城邦的ET250 0型都是质量 式油耗仪。其二为容积法，即采用行星活塞式油耗传感器在底盘测功试验台上 进行油耗检测，如日本珠式会社小野FP系列就是容积式油耗仪。当汽车驶上 底盘测功试验台后拆卸燃油管路，接上油耗传感器，排除油路中的空气泡，然 后在底盘测功试验台上进行加载，使加载量符合该车在路试状态下的各种阻 力，然后进行油耗检测。近年来，人们研究了一种称为“炭平衡”的方法，它是利用物理和化学的 分析方法，对燃料燃烧及燃烧后的特性进行分析，通过测量排放尾气的含碳元 素的质量，可由公式计算燃油消耗量。Ma r t i n B Tr eu h a ft提出了一种放射性跟踪试验的方法，用放射跟踪技术 实时测量燃油消耗。它通过催化反应让具有放射性的三重氢原子代替燃油中的 一部分普通氢原子，燃油经过燃烧以后，所有的氢原子和三重氢原子反应生成 水或者水蒸汽，从废气里收集的水的放射性直接和所消耗的燃油量成正比，通 过数学计算求得所消耗的燃油量”叫此两种方法理论上虽然简单，但产品还 不成熟。2.3 汽车油耗仪检定技术项目汽车油耗仪检定项目包括外观性能、密封性、抗干扰能力、示值允许误差、重复性误差等川。其中外观和性能的检定主要是通过目测和手感检定，应做 到：9吉林大学硕士学位论文油耗仪应有清晰的铭牌，须标明当量系数，准确度等级；传感器外壳上应 指示出被测液体的流向。外表平整、色泽均匀，不许有裂纹、变形；表面涂层 不许出现起泡、龟裂和脱落现象；仪表开关、按键操作灵活、可靠。功能说明 文字、符号显示清晰、端正。燃油进口处应装有过滤器和油气分离器等装置。密封性的检定，也叫耐压强度的检定，主要是通过压力泵给待检油耗仪施 加压力，当试验压力为公称压力的1.5倍时，稳压5min,传感器不得有渗漏 现象；抗干扰能力的检定是通过高频电火花发生器，在距油耗仪约1m处施放 1 0 0 0 0 V的电火花，在正常工况下，二次仪表应准确显示。示值误差的检定要 求油耗仪在规定流量范围内，准确度为0.5级和1.0级时，其示值允许误差分 别不超过0.5%、1.0%；重复性误差的检定要求在相同试验条件下和相同流 量下，各流量点的重复性误差不应超过油耗仪示值允许误差。本论文主要是对 油耗仪的示值误差和重复性误差进行研究，进而研制出快速准确检定油耗仪精 度的检定装置。2.4油耗仪检定的方法由于油耗仪在制造工艺、装配工艺上存在的差异以及具体使用条件和被测 介质的不同，一般来说，凡长期使用的油耗仪都需要进行定期检定；另外，当 油耗仪经过更新后，也应进行重新检定。除上述情况外，下面的情况也应对油 耗仪进行检定：被长期搁置的油耗仪，重新投入使用时；因检修需要，油耗仪 被拆卸后再行装配时。按液体流量标准检定装置中用的标准器的形式划分，分为容积式、称量式、标准体积管式和标准油耗仪式。(1)称量法：称量方式的检定方法是用称代替带有刻度的容器，可以分为静态法和动态 法两种。所谓的静态法是指在一定的时间内使被测液体从被检定油耗仪流入称 量容器中，在液体完全停止流动后测出被称量容器中液体的质量，然后根据液 体的密度来计算体积，最后确定油耗仪的流量。所谓的动态法就是边记录时间 边测量液体的质量，并且液体不停止流动。(2)标准表法：10第二章油耗仪检定理论基础标准表方式是现场检定油耗仪的一种方式。所谓的标准表是事先经过精密 检定的油耗仪，标准表法流量标准装置是利用流体力学的连续性原理，将标准 表和被测油耗仪串联，由标准表和相关参数测量仪表给出标准流量，与被测油 耗仪的输出流量比较，确定被检测油耗仪的技术指标。用标准油耗仪法检定油耗仪,能够提高检定油耗仪的效率，操作方法简单。但由于用标准油耗仪进行检定，被检油耗仪的精度要取决于标准油耗仪的精 度，受标准油耗仪精度等级的限制，因此检定精度较低。(3)标准体积管式检定法：标准体积管检定法中，标准管体积是固定的,检定时将被检表串联在为体 积管供液的管道中，同时开启体积管走球和被检表计量。体积管走球结束时读 取被检测表的计量数据,计算计量体积是否同体积管的标准体积相同，计算偏 差，作出检定结论。用标准体积管法检定油耗仪是一种很好的方法，但由于标 准体积管的机械结构，标准体积管法适合于低流速，高粘度的液体口引。(4)容积式检定法：利用容积式检定油耗仪是一种常用的方法，用泵把试验液体从贮液槽中打 入水塔，从水塔下来的恒压的试验液体通过被检定油耗仪进入标准容器，该容 器刻有能准确求出液体体积的刻度。从读数玻璃管的刻度上读出在一定时间内 进入标准器的液体的体积，然后将此体积与被标定油耗仪的示值进行比较，就 能求出被检定油耗仪的误差。在这种情况下，有两种测定方法：一种是一边 让试验液体以一定的流量流入标准容器内，一边读出读数玻璃管内的液面上升 量，这就是所谓的动态校验法；另一种情况是，让一定体积的试验液体流入标 准容器，测量从开始流入到停止流入的时间，这就是所谓的静态校验法。该检 定方法检定精度高，一般均能优于标准表和标准体积管检定法。虽说此这儿种方法在一定范围内能满足流量校准的要求，但由于技术发展 水平的限制，存在不少明显的缺点：1、装置体积相对庞大，占用工作面积大。2、不同程度的开放型，使工作介质容易挥发和被污染等，既影响校准的 准确度，又使更换介质的周期缩短。3、由于受本身结构的限制，总准确度很难再提高。4、用计算机控制比较困难，自动化程度低。11吉林大学硕士学位论文正是由于现有的油耗仪检定操作比较繁琐，检定精度比较低，所以研制一 套简易而且精确的检定装置势在必行。12第：章车用油耗仪检定系统的设计第三章 车用油耗仪检定系统的设计3.1 系统的总体设计3.1.1 系统设计的要求1、为了使检定系统适应各类油耗仪的检定需要，检定系统所设置的最大 流量是150 L/h,最小流量是5L/h。2、提高检定装置的适用性，使其既可以在检定中心使用，也可以方便的 携带以现场检定。3、改变传统的容积式油耗仪和质量式油耗仪分别检定的模式，利用一套 装置实现对容积式油耗仪和质量式油耗仪的检定。4、提高检定的速度和准确度，使其实现检定的自动化或者半自动化。3.1.2检定系统的整体布置设计本系统的目的是对油耗仪实现快速精确的检定。为提高检定系统 的适用性，该检定系统采用一套系统两套装置的设计。主检定装置主要在 计量检定中心适用，它依靠工控机能够实现快速、准确、自动化的检定。辅检定装置主要是为了适应现场检定的需要。在有些情况下，需要现 场对油耗仪进行检定，上述主检定装置由于数据自动处理系统比较庞大而 不能很好的实现此种功能。基于这种原因，我们设计了辅助检定装置，它 省略了主检定装置庞大的数据采集处理部分，利用智能数字仪表采集力传 感器的信号，数据采集完后须回检定中心输入检定系统进行数据整理、打 印检定报告。整个系统设计如图3-1、3-2所示：13吉林大学硕士学位论文图3-1油耗仪简易检定系统示意图方根慧帮信号图3-2油耗仪检定系统示意图该系统包括检定装置和匹配装置，匹配装置中各液压元件的功用如下:14第：章车用油耗仪检定系统的设计网式滤油器：其作用主要是防止大颗粒杂质进入油泵。溢流阀：主要是使液压系统的工作压力保持基本稳定，同时使系统多余的 压力油流回油箱。电液比例压力流量复合阀：由于油耗仪检定需要测定最大流量、最大流量 的40%和最小流量三个点，故需要在系统中安装流量控制阀以便调节通过油耗 仪的流量。定差减压阀主要是对系统压力进行调节，除此之外对泵因流量脉动 而引起的压力脉动具有滤波作用。电磁换向阀：改变液体流动的方向。非检定状态下，燃油流入辅助油缸。在检定状态下，燃油流动方向改变，从辅助油缸改向进入检定装置。3.2检定装置机械结构部分的设计3.2.1 检定装置的测量原理本系统中利用一耐腐蚀标准浮筒来间接测量燃油液面变化,浮筒通过螺杆 与精密力传感器连接，传感器固定于外部支架上。设A浮筒的边长设为4,标准容器的边长设为出。则浮筒的底面积为：SA=d；=S标准容器底面积：s7=d：当燃油液面到明时，对A浮筒利用浮力公式得：mAg 液 gv排 =F传(3.1)化简得：_mAg-F v排 一/二一液 g(3-2)当燃油液面到V2时，利用浮力公式同理可以推出：_mAg-F2V排2 一 1二一 P液gI-Ad V 图3-3检定装置原理图(3-3)15吉林大学硕士学位论文由（3-2）、（3-3）得:匕非=%E2V排|:皿点七2_111点一耳.二 F.一F传2（3-4）。液g P液g。液g由已知可得：Q SAV检（3-5）si所以：AV-S2-Sl AV _S2-S1 国一耳鸵/、-喉-（3-6）si si P液g（用于容积式油耗仪）此式变形得：A叫二包二包广侑一F做（3-7）检S|g（用于质量式油耗仪）利用该原理，也可以求出片-，2时间内通过油耗仪的真实燃油值 匕_匕（叫_%），实现了连续的多组检定数据测量。3.2.2检定装置的机械结构设计油耗仪的精度取决于供油精度和计时精度，由于计时手段的发展，后者精 度已足够高，故本装置不在设置计时装置，直接采用待检油耗仪的计时装置。本装置采用液压系统，利用浮力原理，测定单位时间内通过油耗仪的真实质量（体积），与油耗仪测得的数值进行比较，以此来判定待检油耗仪准确度。在该检定装置中，其中浮筒和标准量器的制造误差对该检定装置的精度起 着确定的作用。为减少燃油在容器内表面附着引起的误差，对标准容器和浮筒 的表面有严格的要求，标准容器内表面和浮筒表面采用超精磨、精抛光使之成 为亮光泽面。在小流量短时间检定下，为保证传感器受得足够大的浮力，在检 定时间一定的条件下应保证&-1；为减少温度的变动带来的误差，该装置s216第：章车用油耗仪检定系统的设计中浮筒与标准量器应选择线膨胀系数接近的材料，以便使包二巴基本上保持不 S1变。为保证浮筒不会因为受到的浮力过小而引起较大的误差，本系统需保证每 次检定过程中，力传感器的示值变化都在0.5N以上。即/=P液gA%05Nn A%0.0 6L d2.h 0.0 6L dj-2 0.0 6L(3-8)其中勺为一段时间内通过待检油耗仪的燃油体积。按油耗仪出厂设置的定时测量时间36s计算，在该段时间内，按最大流量 计算所能通过的燃油体积为：ma x O 36s=1.5L(3-9)v 360 0 s按最小流量计：minv 36s=0.0 5L(3-10)v 360 0 s由(3-8)、(3-9)、(3-10)可得:0,0 5L d30.0 6L nd,20.744(3-11)d：用 2 1油耗仪在检定过程中，要进行三个流量点至少九次测量，装置在设计过程 中，必须考虑标准量器的有效容积，容积过大，不仅增加了制造成本，也会降 低检定装置的检定精度。容积过小，需要在检定的过程中多次通过排放阀释放 标准量器的燃油，降低了检定效率。本检定装置对各种情况综合考虑，设定检 定过程中进行2-3次的燃油排放。在最大流量点，检定三次的燃油体积G=3-ma xv=4.5L在最大流量点40%处，检定三次的燃油体积%=3-ma xv-0.4=1.2L在最小流量点，检定三次的燃油体积匕卜=3minv=0.15L17吉林大学硕士学位论文检定开始，须在流量上限（80700%）下，至少运行1 mi n后方可进行检定，以便将检定系统的空气排尽；在检定过程中，当从一种流量状态转换到另一种 流量状态进行新的检定时，须流量状态稳定后才能进行检定，设每次转换后状 态稳定时间为20 s。在该段时间内的燃油体积：4=3L所以应该有：（d；d；）-h安 d；2160（3-12）式中假设在检定过程中燃油排放按两次计算，其中h安为浮筒的有效安全高度,浮筒的高度为30 0 mm,有效高度暂按250 mm计算。由（3-11）、（3-12）式可得：d=188mm d2=140 mm所以浮筒尺寸为：140 mmX140 mmX30 0 mm标准量器尺寸为：188mmX188mmX40 0 mm玻璃陶瓷是在玻璃中加入了少量的金、柏、银、铜、二氧化钛或者二氧化 错等以提高“晶核”，经热处理而得到的的陶瓷状材料。它具有机械强度高、硬度大、耐化学腐蚀、热稳定性好、密度小等优点。玻璃陶瓷出现，受到人们 的高度重视，称其有万能性，”将不亚于20世界的钢铁口7”。本系统的浮筒使 用该种材料，采用超精密的磨削和研磨加工，使其加工精度高于0.1 u m,轮 廓算数平均偏差Ra低于0.0 4 口 mo3.2.3 检定系统的安全预警原理为防止检定过程中液面超过浮筒而造成错误检定，在该系统必须设置检定 安全预警装置。以往容积式油耗仪检定装置大多是利用光在空气和油介质中折 射率的变化来检测油面信号。此方法容易受到不稳定光源及环境光源的干扰,而且对光电耦合器与油管的相对位置要求严格，如果调整不好，便得不到较好 的折射效果。另外，容积式油耗仪检定装置的测量容器表面容易产生油污。当 光源较弱时光线无法穿透油污，使得液位传感器检测不到测量信号，当光源较 强时又使得液位传感器受到非测量信号的干扰，这就降低油耗仪检定系统的可 靠性，本装置用软件来实现此功能，这不仅简化了装置机构，降低了设计成本,同时也提高了检点装置的可靠性。设计原理如下：浮筒受到的浮力：18第：章车用油耗仪检定系统的设计ng-P液 gv 排=可专(3-13)该式变形得：v排二mAg也P液g其中 丫排=Sh排(3-14)h排为检定装置中液面对浮筒的高度。所以(3-13)、(3-14)可得：m Fh 排二-(3-15)P液 Si P液 gSi为保证系统工作的安全，务必要保证h排h,其中h为浮筒的标称高度。该检定系统设置条件是：一旦这两个条件有一个不满足，系统就会停止工作并给出警告提示。其中=%；为上次检定时液面对浮筒高度。3.2.4 检定装置燃油供给系统的研究如果液压系统选择合适的液压元件，会使系统的性能优良，泵、电机利用 效率提高、液压元件安装简便，维修容易。系统之间元件匹配，除按系统功能 需要选择各种类型的液压控制阀外，还需考虑额定压力、通过流量、安装形式、动作方式、性能特点等因素。(1)泵工作压力的确定P b=P|+Z P(3-16)式中：Pb：液压泵最大工作压力(MPa);P ：执行元件的最大工作压力(MPa)；19吉林大学硕士学位论文Zap：进气管路中的压力损失，简单系统可选0.2-0.5 MPa,复杂液压系 统选0.5-1.5 MPa,由于本检定系统相对简单，故选管路压力损失0.5 MPa。所以：Pb=0.7+0.5=1.2 MPa液压泵在工作中会出现瞬时超载，使得动态压力峰值远大于Pb,故本系 统选泵时额定压力应比Pb高25-60%。(2)泵的流量确定Qb 之 L(Z q)ma x(3-17)式中：q b:泵的最大流量(L)；kL:液压系统的泄漏系数，一般取=1.1-L3,大流量时取小值，小 流量时取大值，本系统取1.2；(Zq)ma x：同时工作的各执行元件所需的流量之和的最大值(L)。qb=1,2 X7 L/mi n=8.4 LI mi n(3)泵的选择根据 GB/T2346-1 988 和 GB/T2347-1 980,选择 CB-B2.5 低压泵。其参数 如下：排量：2.5-125ml/r转速：1 4501/mi n容积效率:80%驱动功率:0.13k w20第：章车用油耗仪检定系统的设计(4)电机选择皿二12x 8.4=240亚7 60 x 0.7(3-18)式中：P：电机的功率(k w)；7：液压泵总效率，齿轮泵取0.6-0.7,叶片泵取0.7-0.8,柱塞 泵取 0.8-0.9o上面计算的压力是系统处于稳态时泵的工作压力，而系统的电机应具有 2 5%的允许超载能力。本系统中选的电机的参数如下：型号：YL7114功率：250 W转速：1 400 r pm电压、频率：220 V 50 HZ(5)液压阀元件的选择液压阀的选择主要依据是液压阀在系统中的最大工作压力和流经该阀的 最大流量。各液压元件选型如表3-1所示：表3-1检定系统液压元件性能参数元件名称型号规格公称通径实品数最溢流阀DG-02-B压力：0.2-25MPa额定流量：16 U mi n12121吉林大学硕士学位论文电液比例压力流量阀SDF-G06压力：25MPa额定流量：120L/mi n81电磁换向阀WZ3QDF压力：20Pa额定流量：24L/mi n81压力表G60-LM压力：30MPa额定流量：40L/mi n82滤油网MF-02额定流量：20L/mi n12J_/13.3油耗仪检定方法本检定方法突破传统的流量检定模式，它既不同于称量式检定方法，也不 同于容积式油耗仪检定方法。它是以计算机技术及微电子器件为基础，以浮筒 为精确的刻度尺，利用浮力原理来间接的测量液体质量或者体积。与传统的检 定仪器相比，该检定装置在测量的准确度、灵敏度、可靠性及自动化程度上都 有了质的飞跃。自动检定步骤：1）将受检油耗仪无应力地安装在检定系统中。检定系统各接合部位不应 有漏液现象。将待检油耗仪的相关信息和设置输入工控机控制系统。2）对容积式油耗仪，在示值误差检定前，应先标定油耗仪当量系数三次,并计算其平均值输入机内。3）按下“排空”键，系统会在流量上限（80%-100%）下自行运行60 s,电磁换向阀左右自动换向4-5次，以便将检定系统中气体排尽。4）排空后，电液比例压力流量调节阀将压力、流量调到所规定的检定点 流量和压力值（检定流量与规定该检定点流量相比，其变化应不超过 5%,压力不超过8%）,待流量稳定后，系统给出当前的流量值并给 出提示对话框“流量、压力调节完毕，是不是进行检定？”选择“确 22第：章车用油耗仪检定系统的设计定”则启动“开始”测量，电磁换向阀会迅速换向到检定装置中，使 油品流入检定装置中。5）当达到设定的测量值（时间）时，工控机发出指令，电磁换向阀迅速 换向并控制“结束”键停止检定。6）待检定装置中的燃油稳定后，工控机采集数据并进行相关的计算。7）数据计算完毕后工控机给出进行下一次检定的提示，步骤如上4）5）6）o8）当达到该流量点检定次数，系统会转入下一个流量点的检定，步骤如 上3）-7）所示。9）所有的检定点和检定次数进行完后，系统会根据检定数据，打印出检 定报告。10）在检定过程中，当系统检测到液面到达预警位置时，会给出预警信号 并停止检定，工控机会控制排放阀进行燃油的排放。手动检定步骤：将受检油耗仪无应力地安装在检定系统中。检定系统各接合部位不应有漏 液现象。打开开关阀Kl K2,手动调节系统压力和流量，使系统在最大流量 处运行一分钟左右，以排空检定系统的空气。然后关闭开关阀K2,待检定装 置稳定后，记下此时的数值瑞。再打开开关阀K2,让燃油缓慢的流入检定装 置中。检定最大流量点时不少于60 s流量，最小流量点不得小于40 mm高度的 燃油。然后关闭开关阀K2,系统稳定后记下此时的数值耳，由工、耳计算出 该段时间内通过油耗仪的真实数值。然后依次进行其他次数、流量点的检定。则示值误差：Ep=（Q-Qo）100%/Qo（3-19）E容积示值误差（）Q被检油耗仪指示值（ml）实测油品容积值（ml）或者 Ep=mm.100%（3-20）mo23吉林大学硕士学位论文E质量不值误差（）m-被检油耗仪指示值（g）m0-实测油品质量（g）重复性误差检定可与示值误差检定同时进行，油耗仪示值误差的最大值与 最小值之差为重复性误差。5-Epmax-Epmin(3-21)式中：5重复性误差（）Epma x示值误差的最大值（）Epmi示值误差的最小值（）3.4硬件部分的设计3.4.1 概述本系统的设计主要包括硬件设计和软件设计两部分组成，硬件设计包括机 械结构部分设计、系统匹配结构的设计和信号采集及处理部分的设计。软件设 计包括编程环境的选择、总体设计和各模块设计等。其硬件包括：工控机、数 据采集模块、控制器件、执行设备、被检仪表以及人-机交互设备（键盘、鼠标 以及打印设备）等，并为系统本身和被检仪表提供所需的电源和其它防干扰隔 离设备，以保证系统的可靠运行。系统组成框图如图3-4所示：图3-4检定系统组成框图24第：章车用油耗仪检定系统的设计由系统的检测要求可知，检定系统需要对力传感器和被检油耗仪的输出信 号进行采集，对检定系统的控制设备(电磁换向阀、流量调节阀、电动机)进 行自动控制,油耗仪检定系统的自动控制是通过功放集成芯片来控制固态继电 器的闭合而实现的。力传感器的模拟信号通过A/D转换为计算机可以识别的 数字信号，计算机输出的数字信号通过D/A转换为电流，通过电流控制压力 流量阀的阀门开口程度来调节压力、流量。工控机控制数据采集进程，并对数 据进行处理分析。硬件系统是油耗仪检定标准装置可靠运行的保证。从检定过程的角度而 言，检定装置的任何功能都要通过硬件系统来实现，如检定流程的控制、流量 的自动调节、各种报表的生成及打印等。作为一套检定