基于流量分析仪校准的流量自动调节技术研究

叶献锋，汪卫华，张 静

（河南省计量测试科学研究院，郑州 450000）

近年来，我国汽车保有量迅速增加，汽车在给人们生活带来便利的同时，也带来了日益严重的环境问题。大量研究表明，汽车尾气已成为一些大中型城市大气污染的主要来源之一[1-2]。控制机动车尾气排放，已成为改善城市空气质量的重要措施[3-4]。因此，各地分别建立了在用车排放检测与维护制度以遏制机动车高排放。简易瞬态工况法以其可以统计排放总质量、监控车辆的真实排放情况、检测效率高、检测费用和设备费用都较低等优点成为目前在用的主要轻型汽油车检测方法[5-6]。

汽油车简易瞬态工况法用流量分析仪是简易瞬态工况法测量中气体质量分析系统的重要仪器[7-8]。流量分析仪的主要作用是用来测量汽油车排放气体与环境空气混合气体标准状态下的流量和稀释氧浓度，并将测量稀释后的氧含量与原排放气体中的氧含量比较，求得稀释比例，再通过稀释比和气体流量分析仪测得的流量，计算出每一秒的排放体积。最后检测系统根据流量分析仪测量出的排放体积和尾气分析仪测量的污染物排放浓度，计算出机动车每一秒排放出来的污染物质量。

流量分析仪是机动车环保检测的重要计量设备，目前的校准方式是将标准流量计接到被测流量分析仪的出气口，通过对比标准流量计的示值和被测流量分析仪的示值得出流量示值误差[9]。

目前校准方式[10]存在的问题：流量分析仪在校准时，调整标准流量值的方式不能直接、准确设置标准值来控制气体流量，存在3 次调整流量标准值重复性差，给出的校准点流量示值误差是校准点附近3 个值的误差平均值，并不是该校准点的实际误差；标准值调整过程长，工作效率低，每一个校准点都需要通过手动调整，操作繁琐，引入的人为误差因素较多。为了解决因为手动调整气体流量大小造成的标准值重复性差及误差偏大的问题，本研究提出一种气体流量自动调节技术。

1 技术研究

1.1 研究目的

目的在于提供一种流量分析仪的校准方法，以解决现有方法中需要人工手动调整流量值而导致的校准效率和准确度低的技术问题。通过人机接口设置气体标准流量值，采用一种气体流量自动调节技术，系统根据设定参数驱动流量调节器、实时流量反馈、自动完成流量控制。能够通过参数设置方式实现气体标准流量的自动控制，提高校准结果准确度，使检测工作便捷智能，提高工作效率。

1.2 实施方案

1.2.1 方法实施

通过采用气体流量自动调节技术，设计出一套流量分析仪校准用流量自动调节装置，用于流量分析仪的流量自动调节和校准。流量自动调节装置由流量显示和设定界面、主控制器、角度调节步进电机（步进电机上设置有用于检测流量调节气门转动角度的角度传感器）、调节气门、管道、智能涡轮流量计等部分组成，如图1 所示。

图1 流量自动调节装置结构示意图Fig.1 Structure diagram of flow automatic regulating device

流量自动调节装置的流量显示和设定界面采用LCD 显示，可以设定校准所需的流量值参数，提供人机接口、显示当前实际流量值、开关控制、工作状态指示、误差比对等功能。开展校准工作时，流量调节装置与被校流量分析仪通过软连接对接，通过设置目标流量值控制管道内的气体流量，待气流稳定后读取被校流量分析仪的流量示值，流量示值与设置目标流量值之差即为被校流量分析仪的流量示值误差。

1.2.2 调节原理

流量分析仪流量自动调节装置工作原理如图2所示，自动控制模块首先调节管道中的气门开度到最大，而后通过通讯接口实时采集体积修正后的气体流量参数，根据设定的目标流量值与实际值的比值，驱动电机调节气门到对应的预置角度，然后通过PID 控制方式驱动角度电机微调气门开度，达到设定的流量值。控制方式的具体过程：标准流量计检测值大于设定流量值时，减小流量调节气门的开度，标准流量计检测值小于设定流量值时，增大流量调节气门的开度，直至标准流量计检测值稳定在设定流量值，整个调整过程全部自动化。

图2 流量调节示意图Fig.2 Flow adjustment diagram

1.2.3 技术难点及创新点

技术难点：由于空气流体在气门调节过程中会有较大扰动[11-12]，造成涡轮流量计示值稳定时间随之变长。主控制器读取气体流量参数并根据设定流量值对气门进行旋转控制以调节气体流量，而气体流量处于不稳定状态，因此主控制器读取的流量值处于动态变化中，就会不断地控制调节气门进行旋转，导致PID 控制无法正常进行，甚至出现系统一直处于采集实际流量值与控制气门旋转的无限循环中，无法正常进行流量调节。

创新点：通过在角度调节步进电机上安装用于检测流量调节气门转动角度的角度传感器[13-14]，角度传感器随时将气门位置信息传给主控制器，主控制器获取气门位置信息后，根据设定值控制气门进行相应旋转，然后通过实验得出流量百分比-气门角度关系。具体实验过程：将调节气门旋转区间（0°～90°）分成20 个旋转单元，气门从0°开始旋转，每次旋转4.5°，待示值稳定后，分别测出气门旋转角度下所对应的管道流量实际值，再分别计算出实际流量值与气门初始角度0°时的流量百分比，最后推导出流量百分比-气门角度特性曲线图，具体数据如图3所示。

图3 流量百分比-气门角度特性曲线图Fig.3 Flow percentage-valve angle characteristic curve

图3 中的横轴表示流量调节气门的开合角度，纵轴表示对应角度下管体的流量百分比。流量百分比是指流量调节气门对应开合角度下，设定流量值与实际流量值即标准涡轮流量计读数的比。流量调节气门开合角度为零时，流量调节气门开度最大。

在设定目标流量值后，驱动机构驱动流量调节装置的流量调节气门开度到最大，根据流量百分比值-流量调节气门角度关系，驱动机构驱动流量调节气门转动至设定流量值所对应的角度位置，实现了流量调节气门的粗调，进一步根据流量调节装置的涡轮流量计检测值，驱动机构驱动流量调节阀门进行转动调整，此过程中，流量调节气门的转动角度很小，是一个微调过程，通过PID 微调达到理想的流量设定值。通过气门粗调和微调2 个步骤，可以快速地实现将流量调节装置气体流量调整到设定流量值，根据设定流量值可以对流量分析仪进行流量校准。

2 实验与结果分析

2.1 实验数据

通过用标准表法气体流量标准装置（临界流流量计）对流量分析仪流量校准装置进行流量校准，得出校准数据如表1 所示。

表1 流量自动调节数据Tab.1 Flow automatic adjustment data

用计时装置对流量调节稳定时间进行测量，从启动调节到流量调节完成，不同的气体流量调整时间差别不大，基本用时在10 s 左右。

2.2 实验结果分析

从表1 数据可以看出，流量分析仪校准装置流量自动调节范围在（324～648）m3/h 内，最大调整误差为负0.89%，满足JJF1385-2012《汽油车简易瞬态工况法用流量分析仪校准规范》中测量标准流量范围（95～180）L/s、准确度等级1.5 级的要求，可以应用于流量分析仪的流量校准。

根据测量出的10 s 左右稳定时间可以看出，通过采取研究出的流量调节技术，能够实现快速的流量调节功能。还可以根据实际需要进行系统升级：将调节气门旋转区间（0°～90°）分成的旋转单元越多，气门每次旋转相应单元的角度进行流量粗调时，气门定位准确度就越高，气体流量自动调节时间就越短，流量调节准确度就越高。

3 结语

对于流量分析仪由于手动调整气体流量大小引起的问题，设计出一套流量分析仪校准用流量自动调节装置。提出了一种用于流量分析仪流量校准的流量自动调节技术，采用在角度调节步进电机上安装角度传感器的方式，根据流量百分比-流量调节气门角度关系实施主控制器对流量调节气门的旋转控制，通过粗调、微调2 个调节步骤可以使流量快速稳定在设定流量值。分析出技术研究中的技术难点及解决方法，为流量分析仪的自动校准提供了可靠的方法。解决了现有技术中需要人工手动调整流量值而导致的校准效率低下的技术问题，提高了测量准确度。由于气流扰动会对气体流量信号的及时准确采集造成影响，因此根据气体流量百分比-流量调节气门角度关系进行的流量调节技术还可以应用到其他通过采集流量信号来解决流量控制问题的研究中。