Калориметричний витратомір моторного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації

Калориметричний витратомір моторного палива з цифровою обробкою вимірювальної інформації, що містить трубку (1) з потоком (2) моторно 3 ного палива, виникає додаткова похибка вимірювань. Оскільки в складі витратоміру-прототипу відсутні засоби корекції вказаної похибки, то він має низьку точність. Крім того, у потоці моторного палива завжди є випадкові нерівномірності розподілу течії та, відповідно, розподілу температурного поля, що створюється нагрівачем. Особливо помітним це є для моторного палива з альтернативної сировини (біодизеля), що має підвищену густину та в'язкість. Також у електричних колах, що забезпечують вимірювання температури за допомогою термоперетворювачів, завжди мають місце шуми та випадкові завади. Вказані фактори приводять до того, що результати вимірювань температури моторного палива та, відповідно, його витрат, містять випадкові похибки. Оскільки у витратомірі-прототипі використовується тільки два термоперетворювачі та відсутні засоби компенсації вказаних похибок, то він має низьку точність. Таким чином, витратомір-прототип має низьку точність, особливо при вимірюванні витрат моторного палива з альтернативи сировини, що змінюються в широкому діапазоні значень. В основу винаходу поставлена задача удосконалення витратоміра моторного палива шляхом того, що введені блок логарифмування, блок лінійної апроксимації, блок обчислення витрат моторного палива, термоперетворювач, розміщений у потоці моторного палива поза зоною дії нагрівача, та дві групи термоперетворювачів, які розташовані по різні боки від нагрівача, причому термоперетворювачі в цих групах розміщені послідовно на заданих відстанях від нагрівача, а виходи кожної групи термоперетворювачів та термоперетворювача підключені до входів блоку логарифмування, вихід якого підключений до входу блоку лінійної апроксимації, вихід якого підключений до входу блоку обчислення витрат моторного палива, вихід якого є виходом всього пристрою. У витратомірі-винаході використовуються дві групи термоперетворювачів, що реєструють зміни температури моторного палива вздовж осі трубки до нагрівача та після нього. Результати вимірювань температури надходять до блоку логарифмування, а звідти - до блоку лінійної апроксимації. Блок обчислення витрат моторного палива визначає ці витрати на основі результатів лінійної апроксимації залежності між логарифмом температури в заданій точці потоку моторного палива та її відстанню до нагрівача. Обчислення логарифму від виміряних значень температури у блоці логарифмування дозволяє позбутися нелінійної експоненційної залежності між значенням температури в заданій точці потоку моторного палива та її відстанню до нагрівача. Як наслідок, чутливість витратоміру-винаходу стає однаковою у всьому діапазоні змін витрат моторного палива. Це, в свою чергу, дозволяє позбутися додаткової похибки вимірювань, пов'язаної з можливими змінами чутливості вимірювального приладу у різних точках діапазону вимірювань. У витратомірі-винаході завдяки наявності груп термоперетворювачів та завдяки властивостям процедури лінійної апроксимації результатів вимі 90985 4 рювань також забезпечується суттєве зменшення впливу випадкових похибок вимірювань температури на результат визначення швидкості потоку та витрат моторного палива. Таким чином, завдяки наявності груп термоперетворювачів, блоку логарифмування, блоку лінійної апроксимації та блоку обчислень витрат моторного палива забезпечується суттєве підвищення точності витратоміра - винаходу. Суть винаходу пояснюється кресленнями. Перелік креслень: - Фіг. 1 - структурна схема витратомірувинаходу; - Фіг. 2 - апроксимація залежності між температурою потоку моторного палива та відстанню до нагрівача. Витратомір-винахід моторного палива містить (Фіг. 1) трубку 1 з потоком 2 моторного палива, в якому розміщені нагрівач 3 та дві групи 4, 5 термоперетворювачів. Витратомір-винахід також містить термоперетворювач 6, розміщений у потоці 2 моторного палива поза зоною дії нагрівача 3, блок 7 логарифмування, блок 8 лінійної апроксимації та блок 9 обчислення витрат моторного палива. Групи 4, 5 термоперетворювачів розташовані по різні боки від нагрівача 3, причому термоперетворювачі в цих групах розміщені послідовно один за одним на фіксованих відстанях xt від нагрівача 3, і = 1...(N1+N2), де N1 і N2- кількість термоперетворювачів в цих групах. Виходи кожної групи 4, 5 термоперетворювачів та термоперетворювача 6 підключені до входів блоку 7 логарифмування, вихід якого підключений до входу блоку 8 лінійної апроксимації, вихід якого підключений до входу блоку 9 обчислення витрат моторного палива, вихід якого є виходом всього пристрою. Витратомір-винахід моторного палива працює таким чином. Потік 2 моторного палива, витрати Q якого потрібно вимірювати, протікає по трубці 1 повз термоперетворювач 6, нагрівач 3 та дві групи 4,5 термоперетворювачів. Нагрівач 3 за рахунок електричної енергії від джерела живлення (на креслені не показане) підігріває потік 2 моторного палива та створює в ньому температурне поле. Значення температур в потоці залежать від витрат палива (швидкості потоку), відстані від нагрівана до кожного термоперетворювача у групах 4, 5 термоперетворювачів та збільшуються (перед нагрівачем) або зменшуються (після нагрівача) за експоненційним законом. При цьому за температурою палива, що створюється нагрівачем 3 та фіксується групами 4, 5 термоперетворювачів, розташованими по обидва боки від нагрівана 3, можна визначити витрати моторного палива [1, с 329]. Результати вимірювань температури моторного палива в зоні дії нагрівача 3 та температури моторного палива від груп 4,5 термоперетворювачів та термоперетворювача 6 надходять у блок 7 логарифмування. Графічну залежність між температурою Т(х) в заданій точці потоку моторного палива та відстанню х цієї точки до нагрівача наведено в [1, с.328]. 5 Ця графічна залежність може бути апроксимована функціональною залежністю (Фіг. 2, а): T( x ) b1e a 1 x b 2 e a 2 x T0 ,(1) де: b1, a1, b 2 , a 2 - параметри, що залежать від поточних витрат моторного палива та конструктивних параметрів витратоміру-винаходу; T0 - постійна складова, що визначається на основі вимірювання початкової температури моторного палива термоперетворювачем 6. Другий доданок формули (1) має вплив на T ( x ) тільки поблизу нагрівача 3 в околі точки з координатою х=0 (Фіг. 2, в). Тому цим доданком можна знехтувати (Фіг. 2, б) за умови, що мінімальна відстань x min від груп 4, 5 термоперетворювачів до нагрівача (3) така, a x 0. що b 2 e 2 min Тоді з урахуванням компенсації впливу початкової температури моторного палива, на основі формули (1) маємо: T1( x ) T( x ) T0 (2) ln T1( x ) B1 a1x (3) B1 ln b1, x x min . Завдяки процедурі обчислення логарифму отримано лінійну залежність між температурою в заданій точці потоку моторного палива та відстанню до нагрівача 3. Виміряні значення температури T * ( x i ) у витратомірі-винаході надходять у блок 7 логарифмування від груп 4, 5 термоперетворювачів, де x i відстань від і-го термоперетворювача в групі 4 або 5 до нагрівача 3. Виміряне значення температури * T0 моторного палива надходить у блок 7 логарифмування від термоперетворювача 6. Тоді на основі формули (2) маємо: * * T0 ( x i ) T * ( x i ) T0 , (4) де xi xmin . * Обчислення значень ln T1 ( x i ) з урахуванням компенсації впливу початкової температури моторного палива згідно формули (4) виконує блок 7 логарифмування. Блок 8 лінійної апроксимації на основі значень * ( x ) виконує ln T1 i   обчислення оцінок B1 та a1 параметрів B1 та a1 , що входять до складу формули (3). Наприклад, це може бути виконано на основі методу найменших квадратів [2]. При цьому, завдяки властивостям процедури лінійної апроксимації, суттєво зменшується вплив випадкових похибок вимірювань температури на точність вимірювань витрат моторного палива. Блок 9 обчислення витрат моторного палива визначає поточні значення швидкості потоку моторного палива та, відповідно, його витрат з урахуванням перерізу трубки 1. Для цього в даному блоці обчислюють значення тем 90985 6  ператури T1( x i ) в ряді точок потоку моторного палива. Ці значення є уточненими на основі результатів лінійної апроксимації, що отримані в блоці 8 лінійної апроксимації. При цьому на основі формули (3) маємо:     Ci ln T1( x i ) B1 a1x i ; T1( x i ) e c i . Далі обчислюють швидкість потоку моторного палива, значення його об'ємної та масової витрати на основі формул, наведених в [1, с 329 та З, с 245-247]. Для підвищення точності вимірювань можуть бути обчислені ряд значень швидкості потоку та витрат моторного палива для ряду значень температур в точках x i з подальшим усередненням отриманого ряду значень. Іншим варіантом визначення витрат моторного палива в блоці 9 є використання того факту, що параметри b1 та a1 залежать від поточних значень швидкості потоку та, відповідно, витрат моторного палива. Ця залежність може бути визначена шляхом аналітичного розрахунку з використанням конструктивних параметрів витратоміру-винаходу, або отримана шляхом градую  вання. Тому на основі оцінок B1 та a1 в блоці 9 може бути обчислена оцінка витрат Qвим моторного палива. Для перевірки працездатності пристроювинаходу було створено та досліджено його діючий макет. В якості трубки 1 було використано металеву трубку діаметром 20 мм та довжиною 400 мм. В якості джерела живлення використовували блок живлення постійного струму з вихідною напругою 12 В. Нагрівач 3 був виготовлений з ніхромового дроту з високим електричним опором ("ніхром" - Х20Н80) у вигляді циліндричної котушки. В макетному зразку було використано по 7 термоперетворювачів у кожній з груп 4, 5 термоперетворювачів. В якості цих термоперетворювачів застосували транзистори КТ342, в яких змінюється величина струму колектора при зміні температури в потоці моторного палива. Відстань від нагрівача до першого термоперетворювача в групі дорівнювала 3 см, до останнього – 8 см. Термоперетворювачі в групі були розташовані послідовно один за одним з рівним кроком між сусідніми термоперетворювачами. Характеристики витратоміру-винаходу досліджувалися на його діючому макеті для діапазону витрат моторного палива (швидкостей потоку), що відповідають витратам моторного палива двигуном внутрішнього згоряння, який працює на різних швидкісних та навантажувальних режимах. Для досліджень використовувалося дизельне моторне паливо згідно ДСТУ 3868-99 "Паливо дизельне. Технічні умови". Для порівняння витратоміру-винаходу з витратоміром-прототипом спочатку використовували тільки по одному термоперетворювачу з кожної групи 4,5 термоперетворювачів. Вказані термоперетворювачі були розташовані на відстані 8 см від нагрівача 3 для відносно великих витрат палива або на відстані 3 см для відносно малих витрат 7 90985 палива (режим вимірювань як у витратомірівинаході). Потім використовували всі сім термоперетворювачів в кожній групі 4,5 термоперетворювачів (режим вимірювань моторного палива згідно витратоміру-винаходу). В результаті досліджень встановлено, що похибка вимірювань витрат моторного палива у витратомірі-винаході у порівнянні з витратоміром-прототипом зменшилася у 1,2-1,4 рази. Таким чином, витратомір-винахід забезпечує підвищення точності вимірювань витрат моторного палива. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 8 Література 1. Поліщук Є. С., Дорожовець М. М., Стадник Б. И., Івахів О. В., Бойко Т. Г. Засоби і методи вимірювань неелектричних величин: Підручник / За ред. проф. Є. С. Поліщука. - Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2008.-618 с. 2. Яцук В. О., Малачівський П. С. Методи підвищення точності вимірювань: Підручник. - Львів: Видавництво «Бескид Біт», 2008. - 368 с. 3. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленинград, отд-ние, 1987. - 320 с. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601