УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО ИЗМЕРЕНИЯ РАСХОДА ТОПЛИВА Российский патент 1997 года по МПК G01F9/00 G01F25/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения расхода топлива при стендовых испытаниях двигателей внутреннего сгорания.

Известно устройство градуировки жидкостных расходомеров по способу [1] градуировки жидкостных расходомеров с аналоговым электрическим выходным сигналом, содержащее мерный резервуар с жидкостью и размещенным в нем погружаемым элементом силоизмерителя, аналогоцифровой преобразователь и регистратор.

Недостатком этого устройства является зависимость погрешности измерения расхода от нелинейности характеристики и измерения параметров внешней среды (например, температуры) из-за использования струнного датчика. Кроме того, погрешность измерения в известном расходомере зависит и от его чувствительности, которая определяется соотношением плеч рычажного силоизмерителя. Для увеличения чувствительности плечо рычага, связанное с погружаемым элементом, должно увеличиваться по отношению к плечу рычага, связанного со струнным датчиком. Это в свою очередь приводит к увеличению вертикальных перемещений погружаемого элемента в процессе измерения и при изменении плотности жидкости приводит к увеличению дополнительной погрешности измерения.

Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков является устройство для автоматического измерения расхода топлива [2] содержащее электромагнитный клапан на трубопроводе пополнения расходной емкости топливом, весоизмерительное устройство, состоящее из весов с датчиком, электронную вычислительную машину, соединенную с индикатором и блоком управления, соединенным с входом управления электромагнитным клапаном и состоящим из первого и второго триггеров, элемента задержки и первого и второго элементов И.

Недостатком известного устройства является пониженная точность измерений, обусловленная необходимостью взвешивания израсходованной дозы топлива вместе с расходной емкостью, поплавком, трубопроводами и клапаном, масса которых может быть существенно больше массы измеряемой дозы топлива. Наличие связанных с расходной емкостью пополняющего, расходного и перепускаемого (для дизельных двигателей) трубопроводов, жесткость и масса которых не является постоянной и может изменяться даже в процессе измерений, также приводит к дополнительной погрешности. Кроме того, известное устройство не обеспечивает необходимой точности измерений в широком диапазоне расходов из-за отсутствия возможности автоматического выбора пределов измерения, так как нужный предел измерения задается в известном устройстве оператором вручную с помощью блока ручного ввода.

Целью изобретения является повышение точности измерений в широком диапазоне расходов топлива за счет конструктивных изменений и автоматизации выбора пределов измерений.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для автоматического измерения расхода топлива, содержащее электромагнитный клапан на трубопроводе пополнения расходной емкости топливом, весоизмерительное устройство, электронную вычислительную машину, соединенную первым выходом с индикатором, а вторым с входом блока управления, первый выход которого соединен с входом управления электромагнитного клапана, введены аналогоцифровой преобразователь с регулируемой чувствительностью, управляемый источник опорного напряжения, вход которого подключен к второму выходу блока управления, а выход -к управляющему входу аналогоцифрового преобразователя, информационный вход аналогоцифрового преобразователя подключен к выходу весоизмерительного устройства, вход которого механически связан с погружаемым элементом, размещенным внутри расходной емкости, а выход аналогоцифрового преобразователя соединен с входом электронной вычислительной машины.

При этом весоизмерительное устройство выполнено в виде электрического моста из тензосопротивлений, наклеенных на стальную балку равного сопротивления с одним защемленным концом, к свободному концу которой подвешен погружаемый элемент, выход тензомоста соединен с входом нормирующего усилителя, выход которого является выходом весоизмерительного устройства.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство для автоматического измерения расхода топлива содержит расходную емкость 1 с топливом, в нижней части которой расположен демпфирующий диск 2 с мелкими отверстиями, трубопровод расходной магистрали 3, подключенный к двигателю через демпфирующее устройство 4, сглаживающее пульсации топлива от насоса двигателя (на чертеже не показан), трубопровод перепускной магистрали 5, обеспечивающий возврат излишков топлива в расходную емкость 1 через расширительный бак 6, обеспечивающий удаление пузырьков воздуха из возвращаемого топлива, и трубопровод 7 пополнения расходной емкости 1, подключенный через электромагнитный клапан 8 к топливному баку (на чертеже не показан). Внутри расходной емкости 1 расположен погружаемый элемент 9, который механически связан с весоизмерительным устройством 10, выход которого соединен с информационным входом аналогоцифрового преобразователя 11 с регулируемой чувствительностью. Выход аналогоцифрового преобразователя 11 соединен с входом электронной вычислительной машины 12, связанной с индикатором 13 и блоком управления 14, первый выход которого соединен с управляющим входом электромагнитного клапана 8, а второй подключен к входу управляемого источника опорного напряжения 15, выполненного, например, в виде цифро-аналогового преобразователя, выход которого соединен с управляющим входом аналогоцифрового преобразователя 11.

Весоизмерительное устройство 10 выполнено в виде электрического моста 16 из тензосопротивлений, наклеенных на стальную балку равного сопротивления с одним защемленным концом, к свободному концу которой подвешен погружаемый элемент 9. Выход тензомоста 16 соединен с входом нормирующего усилителя 17, выход которого, являясь выходом весоизмерительного устройства 10, соединен с информационным выходом аналогоцифрового преобразователя 11.

Устройство для автоматического измерения расхода топлива работает следующим образом.

По команде с электронной вычислительной машины (ЭВМ) 12 через блок управления 14 открывается электромагнитный клапан 8 и в расходную емкость 1 начинает поступать топливо по трубопроводу 7 из топливного бака. По мере заполнения расходной емкости 1 топливом на погружаемый элемент 9, выполненный в виде полого цилиндра, будет действовать выталкивающая сила F, пропорциональная массе М вытесненного элементом 9 топлива, т.е.

где ρ - плотность топлива;
h глубина погружения элемента 9 в топливо;
d диаметр погружаемого элемента 9.

Соотношение массы и диаметра d погружаемого элемента 9 подобрано таким образом, что при полностью заполненной емкости 1 масса топлива, вытесненная элементом 9, была бы немного меньше массы элемента 9 для того, чтобы обеспечить небольшое механическое натяжение элементов конструкции, связывающих элемент 9 с тензоизмерительной балкой 16, которое компенсируется начальной балансировкой весоизмерительного устройства 10.

Таким образом, при отсутствии топлива в емкости 1 на тензомост 16 действует максимальное усилие, равное весу элемента 9, а при полностью заполненной емкости 1 воздействие усилия на тензомост 16 минимальное.

В соответствии с изменением выталкивающей силы F изменяется выходное напряжение U_вых(F) весоизмерительного устройства 10 и код аналогоцифрового преобразователя (АЦП) 11, равный

где P разрядность АЦП;
U_опi значение опорного напряжения на управляющем входе АЦП 11, соответствующее i-му диапазону измерения.

Для сохранения высокой точности измерения расхода топлива в широком диапазоне необходимо, чтобы каждому поддиапазону расхода от 0 до Q_макс соответствовало одинаковое изменение кода АЦП 11 в пределах от 0 до A_макс. В этом случае процесс измерений расхода топлива в любом поддиапазоне можно осуществлять путем измерения времени изменения кода АЦП 11 на фиксированную величину ΔA.

Каждый опыт начинается при полностью заполненной емкости 1, когда U_вых(F) 0, A₀ 0, и состоит из трех этапов.

На первом этапе при начальном изменении кода АЦП 11 на величину ΔA₁ A₁ A₀ формируется программная временная задержка, необходимая для окончания переходного процесса, вызванного переключением электромагнитного клапана 8 и успокоения топлива в емкости 1.

На втором этапе по времени t_x изменения кода АЦП 11 на величину ΔA₂ A₂ A₁ осуществляется автоматический выбор поддиапазона измерения, которое при максимальном расходе на каждом поддиапазоне является постоянным и равным

На третьем этапе по изменению кода АЦП 11 на величину ΔA₃ A_макс A₂ осуществляется измерение расхода топлива в выбранном поддиапазоне. Причем для повышения точности измерений необходимо соблюдать условие ΔA₃>> ΔA₂.

Автоматический выбор поддиапазона измерения осуществляется следующим образом.

Перед каждым опытом ЭВМ 12 автоматически включает минимальный поддиапазон измерения, при котором на управляющий вход АЦП 11 с управляемого источника опорного напряжения 15 подается минимальное опорное напряжение U_оп1.

Если при расходовании топлива на втором этапе измерения с момента A₁ до момента A₂ время t_x изменения кода АЦП 11 на величину ΔA₂ меньше t₀, то ЭВМ выдает команду на увеличение опорного напряжения до уровня U_оп2 и переход на следующий поддиапазон измерения. При этом значение кода на выходе АЦП 11 соответственно понизится пропорционально отношению U_оп2/U_оп1. Если при дальнейшем расходе топлива код АЦП 11 вновь достигнет величины A₂ за время, меньшее чем t₀, ЭВМ выдаст команду на переключение следующего опорного напряжения U_оп3 и поддиапазона, и так до тех, пока время изменения кода АЦП 11 на величину ΔA₂ будет t_x≥t₀. После этого начинается этап измерения расхода и его вычисление по формуле

где M_i масса израсходованной дозы топлива в i-м поддиапазоне измерения, пропорциональная изменению кода АЦП 11 на величину A₃;
t время расходования дозы топлива M_i.

Таким образом предлагаемое устройство обеспечивает высокую точность измерения расхода топлива в широком диапазоне за счет автоматического выбора поддиапазонов и соответствующего регулирования чувствительности АЦП 11.

Кроме того, в отличие от прототипа, измерение веса погружаемого в топливо элемента 9 вместо измерения веса всей расходной емкости позволяет использовать всю шкалу весоизмерительного устройства 10 и исключить дополнительные погрешности, связанные с подключением трубопроводов. Использование расходной емкости 1 и погружаемого элемента 9 в предлагаемом сочетании позволяет дополнительно регулировать общую чувствительность K устройства, которая равна отношению изменения выталкивающей силы ΔF, действующей на элемент 9, к соответствующему изменению ΔM массы расходуемого топлива, т.е.

Тогда, принимая во внимание выражение (1), общую чувствительность устройства можно записать в виде

где D диаметр расходной емкости 1.

Конструктивно чувствительность устройства может регулироваться изменением геометрических размеров емкости 1 и элемента 9.

Дополнительным преимуществом предлагаемого устройства является зависимость измеряемой дозы топлива M_i от поддиапазона измерения. При снижении расхода топлива доза M_i соответственно уменьшается, что позволяет уменьшить общее время измерения без потери в точности.

Использование: в измерительной технике для измерения расхода топлива при стендовых испытаниях двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: устройство содержит расходную емкость 1 с топливом, демпфирующий диск 2 с мелкими отверстиями, трубопровод расходной магистрали 3, демпфирующее устройство 4, трубопровод перепускной магистрали 5, бак 6, трубопровод 7 пополнения, электромагнитный клапан 8, погружаемый элемент 9, весоизмерительное устройство 10, аналогоцифровой преобразователь 11, электронно-вычислительную машину 12, индикатор 13, блок управления 14 и источник опорного напряжения 15. Весоизмерительное устройство 10 содержит электрический мост 16 из пьезосопротивлений и нормирующий усилитель 17. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для автоматического измерения расхода топлива, содержащее электромагнитный клапан на трубопроводе пополнения расходной емкости топливом, весоизмерительное устройство, электронную вычислительную машину, первым выходом соединенную с индикатором, а вторым с входом блока управления, первым выходом соединенного с входом управления электромагнитного клапана, в вторым выходом подключенного к первому входу электронной вычислительной машины, отличающееся тем, что в него введены погружаемый элемент, размещенный внутри расходной емкости и механически соединенный с входом весоизмерительного устройства, последовательно соединенные управляемый источник опорного напряжения, входом подключенный к третьему выходу блока управления, и аналого-цифровой преобразователь с регулируемой чувствительностью, выходом подключенный к второму входу электронной вычислительной машины, а информационным входом соединенный с выходом весоизмерительного устройства. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что весоизмерительное устройство выполнено в виде электрического моста из тензосопротивлений, наклеенных на стальную балку равного сопротивления с одним защемленным концом, к свободному концу которой подвешен погружаемый элемент, выход моста соединен с входом нормирующего усилителя, выход которого является выходом весоизмерительного устройства.