容积式流量传感器对农机油耗的计量测试

农业的规模化集约化生产方式，已经被确认为现代农业发展的必由之路，促进了农业生产效率的大幅度提高。而农业机械现今已成为了集约化生产方式的主要生产力。如何加强对农业机械的科学管理，也同时成为了提高生产效率，增加农业经济效益的重要手段了。

随着农业机械的高速发展和普及，农机油耗测试是农机研制企业开展节能工作及能量平衡工作、进行农机技术改造和改进设计中必不可缺少的一项基础研究。

然而，除少数大型农机生产企业或专业研究单位有精度较高、设备齐全的油耗测试手段和设备外，绝大多数企业采用天平砝码称重法进行油耗测试。该方法操作复杂，容易加量过多，测量精度不高，并易受到环境湿度、柴油易挥发等因素的干扰从而产生较大的测量误差。

也有部分企业采用液体涡轮流量计采集油耗。该方法成本较低，安装方便，但由于涡轮流量计的口径普遍较小，柴油含杂质过多，在工作中常发生流量计内部油道被杂质堵塞的现象，故障率较高。针对上述问题，在研究容积式流量计的结构和工作原理的基础上，提出一种选用旋转活塞式容积流量计安装在农机油路上的方法来测量农机的油耗，并搭建实验平台测试和分析该款流量计的检测精度及可靠性。

容积式流量计结构及分类

容积式流量计又称为定排量流量计 （ positive displacement flowmeter ）。它主要由计量本体和测量部分组成，计量本体由壳体、活动体 （转子流量计的转子 ） 组成。其中，核心部件是活动体，它是测量过程中的运动部件。活动体和壳体构成的每个测量腔就是一个标准容积单元，用来测量被测流体的体积，测量部分实际上是一个转速或计数传感器，螺杆流量计上的其中一只螺杆伸出的小齿轮上嵌有磁材料，螺杆转动时传感器可以通过磁效应识别螺杆的转速，并转化为标准脉冲信号或电流信号，方便测量人员使用二次仪表显示油耗数值或被计算机采集信号并进行进一步的分析和应用。

容积式流量计种类繁多，可以根据不同的原则来分类，通常按照测量元件的结构分为转子式、刮板式、旋转活塞式、往复活塞式及膜片式等，基于旋转活塞流量计具有工作可靠、测量精度高、压力损失小的特点，且当介质黏度大于 50 cp 时，黏度的变化对精度无影响，特别适用于不含固体颗粒介质的液体的瞬时流量和累计流量的测量。因此，本文采用由上海康汇公司制作的流量计传感器油耗采集设备做油耗测量实验，主要由 2 个旋转活塞式容积流量传感器和一个显示屏组成。

旋转活塞式容积流量计工作原理及安装方法

流量计工作原理

如图 1 （ a ） 所示，被测液体从进口端进入流量传感器内腔，在进、出口端形成压差，迫使活塞按图中箭头所示的方向旋转。随着液体的继续流入，活塞转到如图 1 （ b ） 所示位置，形成封闭的新月形截面的容腔 V1。在差压的作用下，活塞继续旋转，之前才形成的封闭的新月形截面 V1 与出口端连通而开始排液，如图 1 （ c ） 所示位置。当活塞旋转到如图 1 （ d ）所示的位置时，又形成另一封闭的新月形截面容腔 V2，再继续旋转，则容腔 V2 与出口端连通而开始排液，然后转子又回复到如图 1 （ a ） 所示的位置。这样，活塞每旋转一周，从进、出口端流过的液体等于容积 V1 和 V2 的总和。

图1  流量计内部工作示意图

正常工作下，流量计内部相当于一个按键开关的作用，在有液体流入的过程中反复关断吸合，在输出端口形成连续的脉冲信号，通过检测该口的电平变化并对其计数，可知一定时间内输出的脉冲数，根据公式（ 1 ） 可流过某一流量传感器的液体体积：

V ＝n*K （ 1 ）

公式（ 1 ） 中，n 为某一时间段内从流量传感器采集到的脉冲数，K 为传感器转子旋转一周所排出的流体体积。

流量计安装方式

柴油发动机的燃油消耗量的计量采用差分测量法。由于柴油发动机有进油管和回油端，柴油发动机工作时，柴油从油箱被吸入进油管，经过油水分离器过滤后，进入供油泵然后从供油泵压出，经过精滤过滤后进入喷油嘴喷射，没有喷

射的柴油经过回油管回到油箱。柴油发动机的油耗计量是进油管流过的燃料体积与回油管流过的燃油体积的差值，因此需要在进油管和回油管上各安装一个流量传感器 （ 如图 2 所示 ）。有部分农机的柴油发动机并无回油端或回油量极少，则可不接回油传感器。

图2  流量计传感器安装示意图

油耗计量测试结果与分析

实验平台采用的是广西某企业生产的方拖 （ 如图 3 所示 ），其发动机为“时风欧”第二代的单缸发动机，功率为 14.7 kW，怠速空载运行情况下每小时消耗柴油约 0.52L，方拖空载载行驶一百公里所用柴油为 9～11L。按图 4 所示安装流量计传感器，因为该款发动机的回油管并不回到油箱而是直接回到滤清器上，所以无需装回油传感器。进油传感器把流过的柴油体积转换成脉冲信号发送给显示屏进行处理，发动机消耗的油量数值会实时显示在显示屏上。

图3  实验测试所用方拖

图4  单缸柴油机安装法

1、怠速工况下油耗测试

点燃发动机，待其稳定运行后每隔 10 min 读取并记录显示屏上的油耗数值 （ 见表 1 ）。

由图 5 可知，怠速情况下，发动机油耗以平均 9.965 mL/min的数值平稳递增，200 min 内共消耗了 1 993 mL 柴油，平均每小时所耗油量约 598 mL，这与发动机厂家提供的怠速油耗数值基本符合，误差为 13.04%。由于柴油机是怠速运行，单位时间内流过传感器的液体流速较低，与传感器的指定液体流速最小量程 1L/h 相差较大，因此发动机带载工作时，传感器所测得的油耗与实际发动机油耗的误差范围会有所降低，油耗传感器的测量精度也会随着发动机功率的增大而提高。

2、方拖行驶工况下油耗测试实验

方拖在空载情况下进行实车行驶油耗测试，出车前加满油箱，然后从加油站开始沿指定路线行驶 4.3 km 后沿原路返回至加油站并把油箱加满，所加油量即为方拖行驶 8.6 km 实际油耗，并记录此时油耗设备显示屏上的数值。重复上述实验，得到的数据见 2。

由表 2 可知，方拖共行驶 77.4 km，实际所用总油量为 8.2L，折算为百公里油耗约 10.59L，符合厂家提供的方拖百公里油耗数值，而油耗设备上显示方拖行驶 77.4 km 所用总油量为9.134L，与实际方拖所用油量相差 0.934L，误差为 10.22%，低于传统的油耗测量方法所算得的误差值。