随着中国交通运输业的迅速发展,汽车保有量逐年增加,加之在中国生产和使用的汽车的技术水平相对不是很高,汽车的排放污染已成为一个不可忽视的严重的环境问题,特别是在一些大城市矛盾更加突出,已成为国民经济可持续发展的制约因素为了控制环境污染.中国也制定了与世界发达国家逐年接轨的较严格的排放法规,为了满足日益严格的排放法规,各种降低汽车排放污染的措施得到广泛重视。压缩天然气(CNG)作为汽车的代用燃料具有低排放的特性,能满足现在和未来较严格的环境保护法规,而且中国天然气储量丰富,因此发展低排放的CNG汽车具有很大的现实意义。在CNG发动机的试验、研究中对于燃料消耗量的测量有两种方法,一是采用体积流量计测量体积流量,测量的结果还要乘以通过测量压力和温度计算出的密度,才能得到质量流量.测量的精度不高另一种方法是直接采用天然气质量流量计测量,毋须进行计算或修正,测量精度较高、使用方便,但国内尚无此流量计生产。目前国内研究汽车的机构大专院校、和生产厂家在CNG汽车的研究试验中对天然气的流量计量采用测体积流量或用称重的方法,测量精度不高和使用不便,急需一种测量精度高、使用方便的天然气质量流量计。天然气的主要成分为甲烷,含量一般在85%以上。
天然气质量流量计由热膜式质量流量传感器和以单片机为核心的智能化二次仪表组成。
1.1热膜式质量流量传感器热膜式质量流量传感器属于量热式传感器,该传感器利用外热源对传感器探头加热.气体流动时会带走一部分热量,使探头温度改变,通过测量因气体流动而造成的温度変化来反映气体的质量流量假设:气体的定压比热为Cp,加热元件在流场中由于气体流动造成的温度差为△T,气体的质量流量为M,单位时间内消耗的加热能量为E,则加热气体所需要的能量和加热元件温度变化关系可表示为
E=MCp△T
由此可得到气体的质量流量表达式
M=E/(Cp△T)
由上表达式可知,欲得到气体的质量流量M有两种方法:一是保持加热功率E恒定,则质量流量M与温差ΔT成反比,通过测量温差ΔT可求得质量流量M,此方法称为恒功率法或恒电流法,二是采用恒温羞法,即保持温差ΔT为常数,则质量流量M与加热功率E成正比,通过测量加热功率E可求得质量流量M。
恒温差法的输出特性对于输出信号的后续处理比较方便,其输出电压U和气体质量流量M的关系可用下式表示
U=K1M1/4+k2
式中:k1、k2为与气体的性质传感器结构传感器电源电压和电桥放大器有关的两个常数。
1.2流量计设计
质量流量计是一台以单片机为核心的二次仪表,用来放大传感器的输出信号和计算显示测量值,它由硬件系统和软件系统两部分组成。
1.2.1硬件系统
图2是硬件系统的结构框图,它由流量传感器传感器信号放大器A/D转换器(现在有许多单片微处理器内部带有A/D,可省去外部A/D转换器)、单片机系统参数输入电路和输出显示电路组成。传感器探头输出的微弱信号通过传感器放大器放大,放大后的信号送入A/D转换器进行模/数转换,转换后的数字信号送入单片机分别进行瞬时流量累积流量计算,由显示屏显示测量结果对于传感器的特性参数存在的离散性和流量计定期标定的结果,可通过传感器因子输入端由BCD码拨盘输入修正数据加以修正,保证流量计有较高的测量精度。测量设置输入端的作用是通过按键可选择测量方式和通过BCD码拨盘输入测量值的大小.测量方式设计为定时间测累积流量和定累积流量测时间两种方式。测量结果也可通过微型打印机打印输出。另外,为了方便通过计算机对流量计进行控制和数据交流.系统中还设计了RS-232C串行接口。
1.2.2软件设计
软件采用模块化结构,整个程序分成六个独立模块:取数子程序数据处理子程序时钟脉冲产生子程序显示子程序打印输出子程序和主程序。
图3是主程序的程序框图
主程序一一完成流量计的全部功能。
取数子程序一一完成A/D转换后的取数任务。时钟脉冲产生子程序一一产生0.1s的计时时钟脉冲信号。
数据处理子程序一一完成对传感器输出的信号进行数字滤波瞬时流量计算累积流量计算测量计时等任务。
显示子程序一一把缓冲区的内容送显示屏显示。
打印输出子程序一一把测量结果通过微型打印机打印输出。
2.结语
本文所设计的由热膜式质量流量传感器和以单片机为核心的二次仪表组成的智能化天然气质量流量计可以应用在CNG发动机CNG汽车的研究和试验中测量燃料消耗量。
智能化天然气质量流量计的二次仪表是以单片机为核心,可以方便地对误差进行修正,使测量结果有较高的精度。另外,流量计的功能较全,可以测瞬时流量、累积流量,对于累积流量的测量可采用任意设定测量时间测流量和任意设定累积流量测时间两种方式,使用方便。通过对传感器用其它气体标定后,此流量计还可用在其它类似的场合,如空气质量流量测量等。