王冬 姜伟 陈斐 邹康平

为了更好地发挥热式气体质量流量计在非道路单缸柴油机排放试验中的作用，在介绍热式气体质量流量计测量原理的基础上，分析了热式气体质量流量计在非道路单缸柴油机排放试验中的重要性及其测量不确定度的评定方法，从而使测量结果更加可信。

热式气体质量流量计;测量原理;不确定度;测量结果

0 前言

目前，随着国内各界对非道路柴油机的排放问题越来越重视，相应的排放法规及标准要求也越来越高，对排放检测机构的能力要求提出了挑战。气体质量流量计在非道路单缸柴油机排放试验中十分重要，它与排放污染物的测量及计算有着直接的关系，所以流量计的选用及测量准确度极其重要。热式气体质量流量计（以下简称“热式流量计”）广泛应用于发动机检测中，本文着重对上海同圆TOCEIL-20N060型号的热式气体质量流量计的原理及测量不确定度进行较为深入的分析。

1 热式流量计的工作原理

1.1 工作原理

TOCEIL-20N060热式流量计是专门针对非道路单缸柴油机（以下简称“柴油机”）进气流量测量设计，用来对柴油机的进气流量进行测量，通过传感器信号转换测得柴油机排放试验中各个工况点的进气流量数据。

TOCEIL-20N060热式流量计是按照热膜式原理设计的。热膜的敏感元件是在陶瓷基片上采用沉积金属形成的薄膜电阻[1]。热式流量计有2个传感元件，1个是速度传感器，另1个是温度传感器，这2个传感器安装在经过滤芯之后的不锈钢管壁上。当流量计通电以后，速度传感器会升温，达于外界空气温度（进气温度）之后停止升温。当柴油机起动之后，空气经过流量计进入柴油机进气系统。这时因为空气流动，导致速度传感器热量流失，温度下降，2个传感器之间的温度差也发生了变化，与此同时速度传感器内部集成自动运算加大电流使速度传感器升温，以维持2个传感器之间的温度差。根据维持温度差需要消耗的电流量和空气流速的比例关系，可以得到进入到柴油机的空气质量流量。

1.2 整体结构

TOCEIL-20N060热式流量计测量管径为60 mm，主要由三大部分组成，分别是过滤装置、不锈钢管路，以及传感器等智能仪表（图1）。传感器安装在过滤装置之后的直管上，输出信号通过数据线连接到外接显示装置上。

TOCEIL-20N060热式流量计的设计安装优于一般的气体流量计，整体结构简单，安装方便，测量准确。TOCEIL-20N060热式流量计直接测量气体的质量流量，而一般的气体流量计测量值是体积流量，容易受外界环境的干扰。在柴油机的排放试验中，进气流量是1个非常重要的试验参数，数据的准确性和稳定性要求有稳定且准确的流量计。

2 热式流量计在排放检测中的应用

2.1 选择合适的稳压筒

非道路单缸柴油机是间断方式进气[2]，特别是小功率四冲程单缸机，吸气过程为间歇而周期性地进行，所以进气管内气流的速度和压力均会产生一定的波动，有时还会产生强大的脉动气流，所以在安装热式流量计的时候需要增加稳压筒。

稳压筒的容积选择与柴油机的排量相关，一般推荐稳压筒的容积为柴油机气缸容积的200倍，這样能更好地降低脉冲气流对热式流量计测量的影响。

2.2 联接方法

当测量不同柴油机的进气流量时，需要按图2所示的方式将热式流量计联接到发动机的进气口。

2.3 使用环境

热式流量计在使用过程中对环境也有一定的要求，极端的环境会影响电子仪器的正常使用，同时不利于后期的保养维修工作。TOCEIL-20N060应在以下环境条件范围内使用：（1）环境温度0～70 ℃;（2）环境湿度10%～85% RH;（3）振动较小，空气流通，无强烈的感应干扰，不易产生静电和磁场。

2.4 热式流量计标准不确定度的评定方法[3]

2.4.1 热式流量计引入的标准不确定度

TOCEIL-20N060热式流量计的最小分辨力是0.1 kg/h，将其按均匀分布考虑，包含因子k=3，因此热式流量计的标准不确定度为0.058 kg/h。

2.4.2 热式流量计校准器引入的标准不确定度

对热式流量计进行校准使用的是喷嘴气体流量标准装置，从流量计的校准证书中可知其扩展不确定度为0.3%，k=2，因此标准不确定度为0.001 5 kg/h。

2.4.3 重复性标准不确定度

对某一型号柴油机的标定工况在同一环境条件下重复测量10次，然后在其他5种不同环境条件下进行类似测量，这样可以得到6组流量测得值，计算各组单次测量的标准差并将其合并，作为各组单次测量的重复性标准不确定度。各组测量结果如表1所示。

各组合并标准差S为0.31 kg/h，单次测量重复性标准不确定度为0.31 kg/h。

2.4.4 复现性标准不确定度

通过表1的试验数据，可以得出在不同环境条件下流量计的复现性标准差。表1中所有测量值的平均值为29.58 kg/h，所有组单次测量复现性标准差为0.37 kg/h，所有组单次测量复现性标准不确定度为0.37 kg/h。

2.4.5 合成不确定度

根据上述数据，可计算合成标准不确定度为0.49 kg/h。

2.4.6 扩展不确定度

由于被测量值接近于正态分布且有效自由度较大，故取包含概率p为95%，包含因子k为2，则热式流量计的扩展不确定度为U95为1.0 kg/h。由上述分析可得，测量结果可以表示为53.6±1.0 kg/h。

3 结论

热式流量计的正确选用、合理安装、使用环境在非道路柴油机排放试验中起着十分重要的作用，可帮助研究人员准确地获取柴油机的进气流量，准确计算排放结果，从而大幅提高了排放试验的准确性和可靠性。在热式流量计不确定度的计算过程中，研究人员给出了4个影响热式流量计测量精度的不确定度分量的来源，分别对各个不确定度分量进行了计算，最后得到了热式流量计的扩展不确定度，从而提高了热式流量计在实际使用中的测量准确性和排放试验的可靠性。

[1]梁国伟，文英杰，黄震威，等.热式气体流量计原理及影响因数分析研究[J].中国计量学院学报，2008，19（3）：202-203.

[2]程庆澜，吴小江.单缸柴油机进气管气流运动和压力波动的研究[J].内燃机工程，1995，16（2）：46-47.

[3]倪育才.实用测量不确定度评定[M].北京：中国质检出版社，2014.