基准消去法在热平衡试验中的应用

来源：农机使用与维修作者：佚名 2015-05-29 10:09:40

    3 基准消去法解决发动机进出水温差测量误差偏大的问题
    3.1流量计误差分析
    在发动机热平衡试验中，通过测量冷却水流量和进出水温差来计算冷却水带走的热量。利用电磁流量计测量冷却水流量，PT100型温度传感器测量发动机进出水温度。
    试验室常用电磁流量计的最大允许误差为±0.5%FS，而冷却水带走热量比例不超30%，那么水流计测量误差对冷却水吸收热量比例的影响也就不足0.3%。
    3.2温度测量误差分析
    冷却水带走热量的误差主要来源于进出水温差的测量误差。由于热平衡试验中发动机进出水温差一般在2.5～8℃之间，若温度测量产生0.5℃的误差，则发动机进出水温差的最大误差将达到1℃，那么进出水温差测量产生的误差对发动机热量造成的误差约为12.5％～40%，以发动机冷却水带走热量比例为20％来估计温差测量误差造成的影响，发动机冷却水带走热量比例则将介于12%～28％之间变化，这将直接导致热平衡试验不可信，甚至试验失败。
    试验采用的PT100型温度传感器是利用铂金属的温度阻值特性原理来测量温度的，因此温度测量结果除了受到传感器精度等级影响，也受到测量仪表和连接导线的电阻影响，通常廉价的仪表加上连接线就可能产生超过2%误差。表2是不同精度等级PTIOO型温度传感器的性能参数，从表中可以看出：PTIOO型传感器的误差是一个随测量温度值的线性函数，函数的常数项不随测量温度变化，可以看作不同传感器的固有误差（或称基准误差），温度误差函数表达式的一次项系数则是造成PTIOO型传感器温度测量线性误差的根源，是各传感器固有属性。PTIOO型传感器的温度测量误差由基准误差和线性误差组成。

    以B级精度的PTIOO型传感器为例，0℃时，温度传感器的温度误差为±（0. 30＋0. 005×0） ℃（即±0.30℃），10℃时，温度传感器的温度误差为±（0. 30＋0. 005×10） ℃（即±0. 35 ℃ ），100℃时，温度传感器的温度误差为±（0. 30＋0. 005×100） ℃（即±0.80℃）。10℃温差时，传感器带来的线性误差项为±（0. 005×10） ℃，100℃温差时，传感器带来的线性误差项为1 （0. 005×100） ℃，由此可见，对于发动机冷却水进出水温差测量来说，温度V差不可接受。若直接利用B级精度PT100型温度传感琳的测量结果相减求发动机进出水温差，导致最大误差温度约1.5℃（未包含仪表及导线所产生的测量误差），若采拜1/10DIN超高精度PT100传感器，传感器带来的误差虽M只有0.15℃，但是仪表以及连接导线的误差仍然无法排除（质量一般的仪表加上导线产生的绝对误差一般能达到传感器量程的2%），而且1/10DIN超高精度PT100传感器价格昂贵。
    根据PT100型传感器的温度误差函数的特点，结合温度测量所用仪表以及连接导线也存在电阻随温度变化的实际情况，提出基准消去法，大幅减小发动机冷却水进出水温差的测量误差。
    3.3基准消去法方法介绍及试验验证
    基准消去法在温差测量时的理论基础是：用两套PT100温度传感器系统（包括仪表、连接导线、PT100型传感器），测量同一温度状态下（试验状态下）的物质，以其中一套测试结果为标准，记录另一套测试结果与标准的差值（即为基准值）；用此两套系统测温差时，未作为标准的系统测量值经过基准校正后与标准系统的测量结果求差作为所测温差结果。
    以B级精度PT100型传感器在热平衡试验中的时间应用来说明基准消去法产生的效果。B级精度PT100型传感器在90℃时的温度误差为±（0. 30＋0. 005× 90） ℃（即±0. 75℃ ），不计仪表和连接线造成的误差的情况下，仅温度传感器自身测量所导致的最大进出水温差误差已达1.5℃；利用基准消去法，根据热平衡试验中发动机进出水温差大约2.5～8℃，冷却水进出水温差的测量误差仅剩余由温差带来的线性误差，误差范围即±（0. 005×It温差I）℃，最大进出水温差误差约为0.08℃左右（包含消去仪表和连接线的基准误差），相对冷却水带走热量的结果精度至少提高94.6%。基准消去法的误差约为采用1/10DIN级精度PT100型温度传感器直接测量产生的温差误差0.15℃（未添加仪表及导线产生的温度测量误差）的1/2，其精度结果远高于1/IODIN级精度PT100型温度传感器直接测量。因此，针对发动机进出水温差的特点，基准消去法是一种切实可行、且大幅提高热平衡试验中冷却水带走热量测量精度方法。
    采用基准消去法，B级精度PT100型温度传感器对发动机冷却水进出水温差仅1％～3.2％的测量误差，例如热平衡试验中冷却水带走热量比例为30%，那么冷却水带走热量的测量误差在总热量的比例仅为0.3％～0.96%。因此，利用B级精度PT100型温度传感器，采用基准消去法完全可以满足热平衡试验的高精度测量要求。
    图2和图3是同一次热平衡试验采集数据求得的试验结果（采用和未采用基准消去法）。图2是未经基准消去法处理的热平衡试验结果，Q冷却液约为17% ，Q残余约为6%，若以Q残余<5％认为试验有效作为判断条件，那么就可能判断热平衡试验失败。

    但是采用基准消去法处理温差测量结果之后，Q冷却液约为20%，Q残余约为3%，不仅不会导致错误判定热平衡试验失败，而且显著地提高了热平衡试验结果准确性。