基于流量分析儀校準的流量自動調節技術研究

葉獻鋒，汪衛華，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]。控制機動車尾氣排放，已成為改善城市空氣質量的重要措施[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。簡易瞬態工況法以其可以統計排放總質量、監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]。

汽油車簡易瞬態工況法用流量分析儀是簡易瞬態工況法測量中氣體質量分析系統的重要儀器[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境空氣混合氣體標準狀態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。最后檢測系統根據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量。

流量分析儀是機動車環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；標準值調整過程長，工作效率低，每一個校準點都需要通過手動調整，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節技術。

1 技術研究

1.1 研究目的

目的在于提供一種流量分析儀的校準方法，以解決現有方法中需要人工手動調整流量值而導致的校準效率和準確度低的技術問題。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節技術，系統根據設定參數驅動流量調節器、實時流量反饋、自動完成流量控制。能夠通過參數設置方式實現氣體標準流量的自動控制，提高校準結果準確度，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節技術，設計出一套流量分析儀校準用流量自動調節裝置，用于流量分析儀的流量自動調節和校準。流量自動調節裝置由流量顯示和設定界面、主控制器、角度調節步進電機（步進電機上設置有用于檢測流量調節氣門轉動角度的角度傳感器）、調節氣門、管道、智能渦輪流量計等部分組成，如圖1 所示。

圖1 流量自動調節裝置結構示意圖Fig.1 Structure diagram of flow automatic regulating device

流量自動調節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，提供人機接口、顯示當前實際流量值、開關控制、工作狀態指示、誤差比對等功能。開展校準工作時，流量調節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的氣體流量，待氣流穩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 調節原理

流量分析儀流量自動調節裝置工作原理如圖2所示，自動控制模塊首先調節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，根據設定的目標流量值與實際值的比值，驅動電機調節氣門到對應的預置角度，然后通過PID 控制方式驅動角度電機微調氣門開度，達到設定的流量值。控制方式的具體過程：標準流量計檢測值大于設定流量值時，減小流量調節氣門的開度，標準流量計檢測值小于設定流量值時，增大流量調節氣門的開度，直至標準流量計檢測值穩定在設定流量值，整個調整過程全部自動化。

圖2 流量調節示意圖Fig.2 Flow adjustment diagram

1.2.3 技術難點及創新點

技術難點：由于空氣流體在氣門調節過程中會有較大擾動[11-12]，造成渦輪流量計示值穩定時間隨之變長。主控制器讀取氣體流量參數并根據設定流量值對氣門進行旋轉控制以調節氣體流量，而氣體流量處于不穩定狀態，因此主控制器讀取的流量值處于動態變化中，就會不斷地控制調節氣門進行旋轉，導致PID 控制無法正常進行，甚至出現系統一直處于采集實際流量值與控制氣門旋轉的無限循環中，無法正常進行流量調節。

創新點：通過在角度調節步進電機上安裝用于檢測流量調節氣門轉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，根據設定值控制氣門進行相應旋轉，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：將調節氣門旋轉區間（0°～90°）分成20 個旋轉單元，氣門從0°開始旋轉，每次旋轉4.5°，待示值穩定后，分別測出氣門旋轉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，具體數據如圖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節氣門的開合角度，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節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的比。流量調節氣門開合角度為零時，流量調節氣門開度最大。

在設定目標流量值后，驅動機構驅動流量調節裝置的流量調節氣門開度到最大，根據流量百分比值-流量調節氣門角度關系，驅動機構驅動流量調節氣門轉動至設定流量值所對應的角度位置，實現了流量調節氣門的粗調，進一步根據流量調節裝置的渦輪流量計檢測值，驅動機構驅動流量調節閥門進行轉動調整，此過程中，流量調節氣門的轉動角度很小，是一個微調過程，通過PID 微調達到理想的流量設定值。通過氣門粗調和微調2 個步驟，可以快速地實現將流量調節裝置氣體流量調整到設定流量值，根據設定流量值可以對流量分析儀進行流量校準。

2 實驗與結果分析

2.1 實驗數據

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，得出校準數據如表1 所示。

表1 流量自動調節數據Tab.1 Flow automatic adjustment data

用計時裝置對流量調節穩定時間進行測量，從啟動調節到流量調節完成，不同的氣體流量調整時間差別不大，基本用時在10 s 左右。

2.2 實驗結果分析

從表1 數據可以看出，流量分析儀校準裝置流量自動調節范圍在（324～648）m3/h 內，最大調整誤差為負0.89%，滿足JJF1385-2012《汽油車簡易瞬態工況法用流量分析儀校準規范》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。

根據測量出的10 s 左右穩定時間可以看出，通過采取研究出的流量調節技術，能夠實現快速的流量調節功能。還可以根據實際需要進行系統升級：將調節氣門旋轉區間（0°～90°）分成的旋轉單元越多，氣門每次旋轉相應單元的角度進行流量粗調時，氣門定位準確度就越高，氣體流量自動調節時間就越短，流量調節準確度就越高。

3 結語

對于流量分析儀由于手動調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節裝置。提出了一種用于流量分析儀流量校準的流量自動調節技術，采用在角度調節步進電機上安裝角度傳感器的方式，根據流量百分比-流量調節氣門角度關系實施主控制器對流量調節氣門的旋轉控制，通過粗調、微調2 個調節步驟可以使流量快速穩定在設定流量值。分析出技術研究中的技術難點及解決方法，為流量分析儀的自動校準提供了可靠的方法。解決了現有技術中需要人工手動調整流量值而導致的校準效率低下的技術問題，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，因此根據氣體流量百分比-流量調節氣門角度關系進行的流量調節技術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。