Спосіб вимірювання розходу палива

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода жидкого топлива при стендовых испытаниях двигателей внутреннего сгорания ОДВС). В мировой практике испытания ДВС наибольшее распространение получили массовый и объемный способы измерения расхода топлива. При реализации указанных способов основное внимание уделяется повышению точности измерений. Однако при испытаниях ДВС большое значение имеет и оптимизация времени замера, которое во всех диапазонах измерений должно быть минимально возможным, по достаточным для надежного визуального контроля, т.е. составлять 5-10 с. Решить эту проблему при сохранении необходимой точности измерений очень сложно. Известен массовый способ измерения расхода жидкости путем непосредственного взвешивания, при котором измеряют время изменения массы жидкости в мерном баке в заданных пределах, а расход вычисляют по формуле: где: Qm - массовый расход жидкости; Mi, Mi+t - масса жидкости в мерном баке в i-тый и (1+1)-ый моменты времени (определяется предварительно при градуировке); tі. і+1 - время измерений. Изменение массы жидкости в мерном баке фиксируют с помощью весов, снабженных преобразователем "перемещение указателя шкалы - код" (Бирюков Б.В. и др. Точные измерения расхода жидкостей. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1977, с. 36-37). Основным недостатком этого способа является длительное время измерений, особенно при малых расходах топлива. Например, при расходе 1 кг/ч время измерений составляет сотни секунд. Причиной, препятствующей сокращению времени измерений является то, что существует его зависимость от фиксированной массы расходуемой дозы топлива. Уменьшение этой массы ограничено и возможно только до минимально допустимого значения, которое определяется разрешающей способностью устройств для реализации способа и заданной точностью измерений. Дальнейшее уменьшение массы расходуемой дозы топлива приводит к снижению точности измерений, что не допустимо. Традиционно наиболее часто применяется объемный способ измерения расхода топлива, который характеризуется менее сложными средствами его реализации и простотой эксплуатации. Известен объемный способ измерения расхода жидкости, при котором измеряют время расхода жидкости при опорожнении мерного бака и изменении уровня жидкости в нем в заданных пределах, и вычисляют расход по формуле: где: Qv - объемный расход жидкости; Vi, i+1 - объемы жидкости в мерном баке в 1-тый и 0+1)-ый момент времени при изменении ее уровня в заданных пределах (определяются предварительно при градуировке); tі. і+1 - время измерений. Изменение объема жидкости в мерном баке фиксируют с помощью датчиков уровня. (Бирюков Б.В. и др. Точные измерения расхода жидкостей. Справочное пособие. М., Машиностроение, 1977, с. 47-48). При этом массовый расход топлива в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88 (Методы стендовых испытаний двигателей) вычисляют по формуле: QM=Qv -ρ, где: Qm - массовый расход топлива; Qv - объемный расход топлива; р- плотность топлива. Этот способ является наиболее близким к заявляемому по технической сущности и рассматривается в материалах заявки в качестве прототипа. Основным недостатком прототипа, как и способа описанного выше, является длительное время измерений. Например, при малых расходах топлива (1 л/ч) время измерений составляет сотни секунд. Это объясняется тем, что в данном случае также существует зависимость времени измерений, но уже от фиксированного объема расходуемой дозы топлива. Уменьшение этого объема ограничено минимально допустимым значением, которое определяется заданной точностью измерений, разрешающей способностью датчиков уровня и величиной дрейфа параметров этих датчиков. Дальнейшее уменьшение объема измеряемой дозы топлива, а, следовательно, и времени измерений возможно только за счет недопустимого снижения точности измерений. Другим недостатком указанного способа является низкая точность определения массового расхода топлива, т.к. в данном случае результаты измерений зависят от заданного значения объема расходуемой дозы топлива и не учитывают влияние изменения температуры на плотность топлива, а, следовательно, и на массу заданного объема топлива. В основу изобретения поставлена задача создать такой способ измерения расхода· топлива, который позволяет уменьшить время измерений при сохранении их точности путем введения дополнительной операции измерения времени наполнения мерного бака при определенных условиях и вычисления расхода по новой формуле. Это позволит обеспечить постоянный контроль расхода топлива ДВС при высоком быстродействии и точности в широких пределах измерений, т.е. повысить достоверность и эффективность испытаний ДВС. Для этого в известном способе измерения расхода топлива, при котором измеряют время расхода топлива при опорожнении мерного бака и изменении уровня топлива в нем в заданных пределах, и вычисляют расход по формуле, согласно изобретению, дополнительно измеряют время наполнения мерного бака, причем измерение времени наполнения проводят при одновременном опорожнении мерного бака с измеряемым расходом и при изменении уровня топлива в нем в тех же пределах, а расхода топлива вычисляют по формуле: где: Qp - расход топлива; tp - время расхода топлива при опорожнении мерного бака: Тн - время наполнения мерного бака при его одновременном опорожнении с измеряемым расходом; К- коэффициент градуировки. Пределы изменения уровня топлива в мерном баке могут быть заданы равными величине гистерезиса датчика уровня. Заявляемое изобретение позволяет существенно уменьшить время измерений, например, при расходе 1 кг/ч оно составляет 5-7 с. Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков предполагаемого изобретения и достижением технического результата объясняется следующим. При реализации предлагаемого способа, кроме времени расхода топлива при опорожнении мерного бака, дополнительно измеряют время наполнения мерного бака при одинаковых условиях измерения. Для этого задают такие же пределы изменения уровня топлива в мерном баке и осуществляют наполнение мерного бака при одновременном его опорожнении с измеряемым расходом. Выполнение этих условий обеспечивает жесткую взаимную связь между двумя операциями измерения, а в результате - вычисление расхода топлива по формуле: где коэффициент градуировки К равен скорости подачи топлива в мерный бак при его наполнении и одновременном опорожнении с измеряемым расходом. Анализ приведенной формулы показывает, что в данном случае точность измерения расхода топлива определяется точностью измерения времени расхода и времени наполнения, а также точностью вычисления или измерения коэффициента градуировки. Учитывая то, что существующие методы измерения времени обеспечивают достаточно высокую точность, приходим к выводу, что точность измерения расхода топлива по предложенному способу в основном определяется точностью вычисления или измерения коэффициента градуировки. При этом объем минимально допустимой мерной дозы топлива не зависит от заданной точности измерений и определяется только разрешающей способностью датчиков уровня и величиной дрейфа параметров указанных датчиков. Это позволяет уменьшить объем мерной дозы топлива, а, следовательно, уменьшить время измерений без снижения их точности. В результате понимается скорость измерений расхода топлива, т.е. обеспечивается более жесткий контроль работы ДВС и повышается эффективность их испытаний. Дополнительное уменьшение объема мерной дозы топлива может быть достигнуто путем дополнительного уменьшения заданных пределов измерения уровня топлива в мерном баке. Для этого указанные пределы измерения уровня топлива могут быть выбраны равными верхнему и нижнему уровням срабатывания одного датчика уровня, т.е. величине гистерезиса этого датчика. При этом минимально допустимый объем мерной дозы топлива определяется только разрешающей способностью указанного датчика. Путем изменения величины гистерезиса датчика уровня (Δ h) в соответствии с соотношением Δ h=Qptp можно обеспечить оптимальное время измерений во всем диапазоне измеряемых расходов. Учитывая то, что точность измерения расхода топлива по предложенному способу определяется, в основном, точностью вычисления или измерения коэффициента градуировки, можно сделать вывод о том, что данный способ позволяет с достаточной степенью точности измерять как объемный, так и массовый расход топлива в зависимости от того в каких единицах предварительно определен коэффициент градуировки, Это позволяет дополнительно расширить функциональные возможности способа. Коэффициент градуировки может быть вычислен или измерен любым известным способом, например, с помощью расходомера, установленного на входе мерного бака. По мнению авторов, наиболее целесообразным является измерение коэффициента градуировки с помощью устройства для реализации предложенного способа, т.к. в этом случае не вносятся дополнительные погрешности измерений, связанные с использованием различных устройств для градуировки и непосредственно измерения расхода топлива. Кроме того, в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88 желательно измерить коэффициент градуировки сразу в массовых единицах, чтобы исключить погрешности, связанные с пересчетом объемного расхода топлива в массовый. С учетом требований изложенных выше коэффициент градуировки можно измерить путем использования известного способа достаточно точного измерения массового расхода топлива (а.с. СССР № 1552779, кл. МКИ G 01 F 9/00, 1988). Этот способ включает измерение времени расхода известной дозы топлива, пропорциональной весу эталонного груза замещения, при опорожнении мерного бака, причем начало и конец замера фиксируют по достижению поплавком с эталонным грузом и без него заданного положения, и вычисление расхода по формуле: где Qprp- расход топлива при градуировке; Рm - вес мерной дозы топлива; ТРгр - время расхода мерной дозы топлива при градуировке. При этом вес мерной дозы топлива пропорционален весу эталонного груза замещения и определяется по формуле: где Рп - вес эталонного груза замещения; Sб - площадь поперечного сечения мерного бака; Sn - площадь поперечного сечения поплавка; DS — площадь поперечного сечения поплавка корректора мерной дозы топлива. Для определения коэффициента градуировки с помощью описанного способа можно использовать принцип измерений, которым характеризуется заявляемый способ, в соответствии с которым обеспечивается жесткая взаимосвязь между расходом топлива и скоростью наполнения мерного бака путем создания идентичных условий измерения при опорожнении и наполнении мерного бака на время градуировки. При этом дополнительно измеряют время наполнения мерного бака при одновременном его опорожнении мерной дозой топлива, пропорциональной весу эталонного груза замещения, причем начало и конец замера фиксируют по достижению поплавком без эталонного груза замещения и с ним заданного положения и вычисляют коэффициент градуировки по формуле: где К - коэффициент градуировки; ТнГр - время наполнения мерного бака при одновременном его опорожнении при градуировке. Как видно из приведенной формулы, точность измерения коэффициента градуировки определяется точностью измерения расхода топлива известным способом, при котором погрешность измерения не превышает 0,15%. На фиг. 1 представлен один из вариантов функциональной схемы устройства для реализации предложенного способа, а на фиг. 2 - временная диаграмма работы этого устройства. Устройство для реализации способа содержит мерный бак 1 с впускным и выпускным Трубопроводами, в котором расположен поплавок 2 со шторкой 3, связанной с датчиком 4. Датчик 4 одновременно является датчиком уровня топлива в мерном баке I в режиме "Измерение" и датчиком положения поплавка 2 в режиме "Градуировка". На поплавке 2 установлен эталонный груз 5 с возможностью его перемещения вверх-вниз посредством механизма, состоящего из тяги 6, редуктора 7 и электродвигателя 8. Тяга 6 снабжена шторкой 6, связанной с датчиком 10 положения эталонного груза 5. На впускном трубопроводе установлен электроклапан 11. Электродвигатель 8 и электроклапан II связаны с программируемым контроллером 12 (например, МБ57.05). Масса эталонного груза 5 выбирается в соответствии с заданным диапазоном измерений (например: 20 г при расходе 1-10 кг/ч, 200 г при расходе 10-100 кг/ч). Датчик 4 содержит светодиод 13 и фотодиод 14, которые расположены по направлению светового потока на расстоянии необходимом и достаточном для свободного перемещения шторки 3 между ними. При этом фотодиод 14 связан с программируемым контроллером 12 через компаратор 15. Датчик 10 содержит попарно расположенные по направлению светового потока светодиод 16 и фотодиод 17, светодиод 18 и фотодиод 19, причем, расстояние между указанными парами установлено необходимым и достаточным для свободного перемещения шторки 9. Фотодиоды 17, 19 связаны с программируемым контроллером 12. На панели программируемого контроллера 12 расположены сигнальная лампочка 20, а также кнопки 21 ("Градуировка") и 22 ("Измерение"). Сущность заявляемого изобретения подтверждается примером конкретного выполнения. Предварительно измеряют коэффициент градуировки. Устанавливают эталонный груз 5 на поплавок 2. Необходимые пределы изменения уровня топлива в мерном баке 1 (h1 и h2) задают с помощью компаратора 15 регулируя значения напряжения на его входе (Ε1 и Е2). Включают устройство, после чего с помощью программируемого контроллера 12 выдают команду на включение питания электроклапана 11 (начало наполнения мерного бака 1 топливом). При этом поплавок 2 с эталонным грузом 5 всплывает и достигает заданного положения, соответствующего уровню топлива hi. Шторка 3, механически связанная с поплавком 2, перекрывает световой поток от светодиода 13, падающий на фотодиод 14. По мере затемнения фотодиода 14 уменьшается величина его фото ЭДС, подаваемая на вход компаратора 15 и при снижении ее до заданной величины Ε1 уровень сигнала на выходе компаратора 15 изменяется из состояния логического "О" в состояние логической "1". В результате срабатывает датчик 4 на верхнем уровне h1. По сигналу с выхода датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команду на включение лампочки 20, сигнализирующей о готовности устройства к работе, и команду на отключение питания электроклапана 11 (прекращение подачи топлива в мерный бак 1). По мере выработки топлива из мерного бака 1 поплавок 2 с эталонным грузом 5 начинает перемещаться вниз. Это приводит к изменению положения шторки 3, которая открывает световой поток, падающий на фотодиод 14, в результате чего величина фото ЭДС возрастает и при достижении заданного значения Е 2 уровень сигнала на выходе компаратора 15 изменяет свое состояние из логической "1" в логический "0" и срабатывает датчик 4 на нижнем уровне П2. Компаратор 15 настроен таким образом, что Ε1>Ε2 и, соответственно, уровень топлива при наполнении мерного бака 1 будет выше, чем уровень топлива при его опорожнении. По сигналу с выхода датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 вновь выдают команду на включение питания электроклапана 11, т.е. начало следующего цикла наполнения мерного бака 1 топливом. Т.о. при помощи датчика 4 в мерном баке 1 поддерживается необходимый уровень топлива. Измеряют время расхода мерной дозы топлива при градуировке (Тргр.). Для этого нажимают кнопку 21 ("Градуировка") и с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на блокировку сигнала с датчика 4, на начало отсчета времени расхода и на включение электродвигателя 8. При этом электродвигатель 8 перемещает тягу 6 вверх, в результате чего происходит зацепление и подъем эталонного груза 5, а поплавок 2 резко всплывает до уровня Hi, Величина хода тяги 6 (Δητ) вместе с грузом 5 выбрана такой, чтобы при всплытии поплавка 2 груз 5 не соприкасался бы с ним. Изменение положения поплавка 2 пропорционально массе эталонного груза 5, Одновременно шторка 9, механически связанная с тягой 6, перемещается вверх и поочередно перекрывает световой поток от светодиодов 16 и 18. При этом в момент перекрытия светового потока от светодиода 18 на фотодиод 19 срабатывает датчик 10. По сигналу с выхода датчика 10 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на отключение электродвигателя 8 (окончание подъема груза 5) и на снятие блокировки с выходного сигнала датчика 4. По мере выработки мерной дозы топлива пропорциональной массе эталонного груза 5, из мерного бака 1 поплавок 2 начинает опускаться. При этом изменение положения шторки 3 приводит к срабатыванию датчика 4 на нижнем уровне П2. По сигналу с выхода датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на окончание счета времени расхода топлива при градуировке, включение питания электроклапана 11 и расчет расхода мерной дозы топлива. Вычисляют расход мерной дозы топлива с помощью программируемого контроллера 12 по формуле: При этом значения Sб, DS и Sn определяют предварительно. Результаты вычислений заносят в память программируемого контроллера 12. Измеряют время наполнения мерного бака 1 мерной дозой топлива при градуировке (Тнгр.). Для этого с помощью программируемого контроллера 12 включают питание электроклапана 11, что открывает подачу топлива в мерный бак 1. В результате наполнения мерного бака 1 поплавок 2 без эталонного груза 5 вновь всплывает. При этом изменение положения шторки 3 приводит к срабатыванию датчика 4 на уровне hi. По сигналу с выхода датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на начало отсчета времени наполнения мерного бака 1, на включение электродвигателя 8, а также на блокировку сигнала с выхода датчика 4. По команде программируемого контроллера 12 электродвигатель 8 опускает эталонный груз 5 на поплавок 2 и он резко погружается до уровня Нг. При этом изменение положения поплавка 2 пропорционально массе эталонного груза 5. Вместе с эталонным грузом 5 перемещается шторка 9, которая поочередно открывает световой поток от светодиодов 18, 16. В момент открытия светового потока от светодиода 16 к фотодиоду 17, совпадающий с моментом установки эталонного груза 5 на поплавок 2, срабатывает датчик 10. По сигналу с выхода датчика 10 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на снятие блокировки с выходного сигнала датчика 4 и отключение электродвигателя 8 (окончание перемещения эталонного груза 5). Поскольку команда на отключение питания от электроклапана 11 не поступила, продолжается наполнение мерного бака 1. При этом поплавок 2 с эталонным грузом 5 вновь начинает всплывать и при достижении шторкой 3 заданного положения датчик 4 вновь срабатывает на верхнем уровне hi. По сигналу с выхода датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на прекращение отсчета времени наполнения, отключение питания электроклапана 11 и вычисление коэффициента градуировки. Вычисляют коэффициент градуировки с помощью программируемого контроллера 12 по формуле: Результаты вычислений заносят в память программируемого контроллера 12. В результате отключения питания от электроклапана 11 подача топлива в мерный бак 1 прекращается. По мере выработки топлива из мерного бака 1 поплавок 2 с эталонным грузом 5 начинает перемещаться вниз. При этом изменение положения шторки 3 приводит к срабатыванию датчика 4 на нижнем уровне П2. Срабатывание датчика 4 приводит к тому, что с помощью программируемого контроллера 12 вновь выдают команду на включение питания электроклапана 11 и вновь начинается наполнение мерного бака 1 топливом. Цикл повторяется. Т.о. в мерном баке 1 вновь устанавливается исходный уровень топлива. Измерение расхода топлива в соответствии с предложенным способом начинают в любой момент времени нажатием кнопки 22 ("Измерение"). При наполнении мерного бака 1 топливом поплавок 2 всплывает. Это вызывает перемещение шторки 3 вверх, а следовательно срабатывание датчика 4 на верхнем уровне hi. По сигналу с выхода датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на начало οι счета времени расхода (ΐρ) топлива и отключение питания электроклапана 11. Подача топлива в мерный бак 1 прекращается. По мере выработки топлива из мерного бака 1 поплавок 2 начинает перемещаться вниз. Вместе с ним перемещается шторка 3. Это приводит к срабатыванию датчика 4 на нижнем уровне h2. По сигналу с датчика 4 с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на прекращение Отсчета времени расхода (tp) топлива, на начало отсчета времени наполнения (tH) мерного бака 1 и на включение питания электроклапана 11. В результате измерение времени расхода топлива заканчивают и результаты измерений заносят в память программируемого контроллера 12. Одновременно начинают измерение времени наполнения (t.н) мерного бака 11. Включение питания электроклапана 11 приводит к следующему циклу наполнения мерного бака 1 топливом. В результате поплавок 2 вновь начинает всплывать, шторка 3 вновь перемещается вверх и вновь срабатывает датчик 4 на верхнем уровне h1. При этом с помощью программируемого контроллера 12 выдают команды на прекращение отсчета времени наполнения (tH) мерного бака 1, на вычисление расхода топлива в данном цикле измерения и на отключение питания электроклапана 11. Измерение наполнения мерного бака 1 заканчивают и одновременно начинают вычисление расхода топлива в данном цикле измерений с помощью программируемого контроллера 12 по формуле: Далее автоматически начинается следующий цикла измерения расхода топлива. Т.о. обеспечивается постоянное измерение расхода топлива в процессе испытаний ДВС. При изменении расхода в процессе испытаний в любой момент времени вновь может быть проведена градуировка устройства. Как указывалось выше, точность измерений по предложенному способу определяется точностью измерения коэффициента градуировки. Это позволило уменьшить размер мерной дозы топлива до минимума, равного величине гистерезиса датчика уровня, а следовательно, существенно снизить время измерений до 5-7 с в диапазоне измерений расхода от 1 до 100 кг/ч при обеспечении необходимой точности не более 0,5% (в соответствии с требованиями ГОСТ 18509-88). В результате обеспечивается постоянный контроль расхода топлива при высоком быстродействии и точности измерений, т.е. достигается повышение эффективности испытаний ДВС.