Marek Rośkowicz, Dawid Chojnacki: Problematyka dokładności
Transkrypt
Marek Rośkowicz, Dawid Chojnacki: Problematyka dokładności
paliwowych jest bardzo szeroki. Są to zarówno czujniki oparte na mechanicznych ukła wykorzystujące położenia pływaka, jak i konstrukcje pracujące w oparciu o zjaw elektryczne, magnetyczne lub elektryczno-magnetyczne. Dostępne są rozwiązania, w któ zmiana pojemności elementu pomiarowego lub zmiana rezystancji elektrycznej czu 812 MECHANIK NR 7/2016 w funkcji poziomu cieczy jest sygnałem pomiarowym [10].Aktualnie opracowy rozwiązania służące mierzeniu ilości paliwa w zbiorniku oparte są na wykorzystaniu zjaw ultradźwięków lub zjawiska wibracji (kamertonowe czujniki poziomu cieczy)[10 Odrębną grupę stanowią sondy paliwa oparte na pomiarze ciśnienia hydrostatycz w których wykorzystywane są czujniki ciśnienia względnego, gdzie wartość ciśnienia (w tym accuracy również paliwa) wpływa bezpośrednio odkształcenia memb Selected problems of thecieczy measuring in the rail vehicles fuelna system pomiarowej. Dzięki zastosowaniu techniki tensometrii oporowej wielkość wychy membrany przetwarzana jest na sygnał elektryczny [14]. Pomiary poziomu paliwa są często obarczone błędami, wynikającymi ze środow MAREK ROŚKOWICZ Materiały z XX SKWPWiE, Jurata 2016 r. eksploatacji czujnika m.in. zmian temperatury i ciśnienia odniesienia. Przykładem moż DAWID CHOJNACKI * DOI: 10.17814/mechanik.2016.7.186 wpływ temperatury na gęstość, która przekłada się nie tylko na zmianę objętość c znajdującej się w zbiorniku, ale także na wartość ciśnienia hydrostatycznego słupa ci Również zmiana ciśnienia atmosferycznego wpływa na dokładność pomiaru czujn Wiarygodne dane o ilości paliwa w zbiornikach są podstawą do pomiapowietrza atmosferycznego temperatury) jakość uzyciśnienia względnego, których punktem oraz referencji jestnawłaśnie wartość ciśn rów systemu paliwowego, zapewniających wystarczającą dokładność(otoczenia). skiwanych wyników. zewnętrznego Problematyka dokładności pomiaru ilości paliwa w systemach paliwowych pojazdów szynowych w każdych warunkach eksploatacyjnych. W artykule przedstawiono wyniki badań dwóch typowych sond paliwowych, uzyskane podczas Badania eksperymentalne Badania eksperymentalne testów na specjalnych stanowisku pomiarowym. Otrzymane wyniki są świadectwem istnienia zależności pomiędzy warunkami eksploatacyjTesty, których celem była ocena dokładności pomiaru ilonymi systemu paliwowego a dokładnością pomiaru Testy, ilości paliwa oraz celem ści paliwa w zbiorniku w zależności od wy- zgromadzo których byłazgromadzonego ocena dokładności pomiaru ilości paliwa potwierdzają konieczność stosowania dodatkowych układów korybranych parametrów środowiskowych (zmiany temperatury w zbiorniku w zależności od wybranych parametrów środowiskowych (zmiana temper gujących. oraz zmian ciśnienia atmosferycznego), zostały wykonane oraz dokładność zmian ciśnienia atmosferycznego), wykonane na specjalnie w tym SŁOWA KLUCZONE: pojazdy szynowe, system paliwowy, na specjalnie zbudowanymzostały stanowisku, które przygotowane zbudowanym stanowisku, które przygotowane zostało w oparciu o schematy syste pomiaru ilości paliwa zostało na bazie schematów systemów paliwowych obecnie eksploatowanych lokomotyw spalinowych. W układach tych tych paliw paliwowych obecnie eksploatowanych lokomotyw spalinowych. W układach Reliable information about the amount of fuel in theprzemieszczane fuel tanks is the wpaliwo jest przemieszczane w obiegu [12, 13] – obiegu zamkniętym [12,13] – zamkniętym rys. 1. System paliwowy zape basis of accurate fuel system, providing sufficient accuracy in all operys. 1. System paliwowy zapewnia utrzymywanie odpowiedutrzymywanie odpowiedniego poziomu ciśnienia paliwa przed pompowtryskiwaczami w rating conditions. The article presents the results of two typical probes niego poziomu ciśnienia paliwa przed pompo-wtryskiwaczami wymaga to stałej wymaga pracy pompy, co z kolei powo fuel obtained from tests on special test bench. Thezasobniku results show wysokiego the w tzw.ciśnienia, zasobniku wysokiego ciśnienia; to stałej pracy konieczność odprowadzania nadmiaru paliwa do zbiornika głównego (1). effect of operating conditions on the accuracy of measurements and pompy, co z kolei powoduje konieczność odprowadzania nadthe need for additional corrective systems. miaru paliwa do zbiornika głównego (1). KEYWORDS: fuel rail vehicles, fuel system, the accuracy of measuring the amount of fuel Ciągłe doskonalenie konstrukcji silników spalinowych oraz ich systemów paliwowych, spowodowane wprowadzaniem m.in. nowych rygorystycznych norm dotyczących emisji spalin czy poziomu hałasu, wymusza stosowanie coraz bardziej rozbudowanych i precyzyjnych układów kontrolno-pomiaroRys. 1. Schemat ideowy systemu paliwowego lokomotywy wych [4, 5]. Kompleksowa wiedza o istotnych parametrach Rys. 1. Schemat ideowy systemu paliwowego lokomotywy. użytkowych i eksploatacyjnych systemu pozwala precyzyjnie Zamontowane dodatkowo w systemie zawory zwrotne zapewszacować czas eksploatacji pojazdu oraz planować jego obniają jednokierunkowy przepływzwrotne cieczy roboczej. Bloki (3) i (4) Zamontowane w systemie dodatkowo zawory zapewniają jednokierunkowy przep sługi bieżące i okresowe [6, 7]. Współcześnie wykorzystywane stanowią zespół filtrów wstępnego i dokładnego czyszczenia. cieczy roboczej. Bloki (3) i (4) stanowią zespół 136 filtrów wstępnego i dokładnego czyszcz czujniki, dopuszczone do zastosowań w urządzeniach przePompy wymuszające przepływ paliwa w systemie do układów mysłowych i pojazdach – mają dokładność pomiarową Pompy rzędu wymuszające przepływ paliwa w systemie do układów wtryskowych wtryskowych zamontowane są na silniku (5). Na wyjściu z silnika zamontowan 1,5÷2% [8, 9]. Jeśli dokładność pomiaru zostanie napowiązana silniku (5).Na wyjściu z silnika zainstalowana jest chłodnica paliwa zainstalowana jest chłodnica paliwa (6). Ponadto w systemie(6).Dodatkow z ilością mierzonej cieczy roboczej, która jest transportowana systemie może może być zamontowany podgrzewacz paliwa (2),(2),wykorzystywany eksploa być zamontowany podgrzewacz paliwa wykorzystyw systemie paliwowym, to okaże się, że ilości paliwa pozowanytemperaturach. przy eksploatacjipracy pojazdu w niskiejpaliwowego, temperaturze.przygotowany Przygopojazdu w niskich systemu do te stające w obszarze dokładności pomiarowej układu kontroltowany do testów zmodernizowany układ paliwowy, w którym zmodernizowany układ paliwowy w którym zamiast odbiornika cieczy w postaci sil no-pomiarowego mogą mieć istotny wpływ na koszty eksplozamiast odbiornika cieczy w postaci silnika zastosowano drugi atacji pojazdu. Przeciętny zbiornik spalinowej zastosowano lokomotywy drugi zbiornik (zbiornik przelewowy) rys.2. zbiornik (zbiornik przelewowy), pokazano na rys. 2. manewrowej ma pojemność ok. 3000 l, co przy dokładności pomiarowej układu kontrolnego, opartego na jednym czujniku mierzącym z dokładnością 2%, oznacza 60 l paliwa, które jest poza kontrolą systemu pomiarowego [1÷3]. Biorąc pod uwagę liczbę operacji logistycznych wykonywanych przez pojazd szynowy, liczbę pojazdów eksploatowanych przez przewoźników oraz bardzo częste przypadki niepożądanej ingerencji osób nieupoważnionych w system paliwowy (niekontrolowane „upuszczanie” paliwa), okaże się, że tego rodzaju straty przewoźników szynowych liczone są w setkach tysięcy złotych. Ponieważ podstawowym i bardzo istotnym elementem układu kontrolo-pomiarowego są czujniki mierzące poziom paliwa w zbiorniku, przeprowadzono badania eksperymentalRys. 2. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego ne, oceniające wpływ czynników środowiskowych (ciśnienia Rys. 2. Schemat ideowy stanowiska pomiarowego . Podczas badań eksperymentalnych testom poddano dwa * Ppłk dr hab. inż. Marek Rośkowicz ([email protected]) – paliwomierze w postacipracy sondzhydrostatycznych następująW celu uniknięcia niebezpieczeństwa oparami paliwa wo czasie testów WMiL ITL; mgr inż. Dawid Chojnacki ([email protected]) – cych parametrach technicznych: WMiLITL, INTECO S.A. wodę jako ciecz roboczą, transportowaną pomiędzy dwoma zbiornikami. wykorzys W układzie funkcję filtrów wejściowych pełnią zawory dławiące (ZD1) i (ZD3), za pom których możliwe jest wprowadzenie dodatkowych oporów hydraulicznych, odpowiadają stanom zanieczyszczenia filtrów paliwowych. Zawory odcinające (ZO1), (ZO2), (ZO3) (ZO4) wykorzystywane są w celu wyboru linii transferu paliwa. Linia z zaworem dławią MECHANIK NR 7/2016 813 Sonda nr 1: rach wykonywanych w stabilnych warunkach pokojowych, przy ●● zakres pomiarowy 0÷800 mm, zakres temperatury pracy od średniej różnicy temperatury na poziomie 2 °C. Wydaje się, że –25 °C do 80 °C, błąd podstawowy < 0,16%, błąd dodatkowy otrzymane wyniki zależały od wartości aktualnie panującego wynikający ze zmiany temperatury 0,3%/10 °C. ciśnienia atmosferycznego. W przypadku badań sondy nr 2 nie Sonda nr 2: obserwowano podobnej prawidłowości. Na podstawie otrzy●● zakres pomiarowy 1 bar, zakres temperatury pracy od manych wyników dla obu sond oraz na podstawie inspekcji –25 °C do 80 °C, liniowość 0,025%, błąd dodatkowy od zmian badanego układu wykluczono powstanie błędów wynikających eniono wpływ temperatury na wskazywaną wartość poziomu cieczy (glikolu) przez sondę temperatury 0,5%/10 °C. z nieszczelności instalacji czy niewłaściwej pracy pompy. 1.Badaniawykonano w komorze klimatycznej firmy CLIMATS SPIRALE 3 [15].W Czujnik Zastosowane sondy pracują na bazie różnych algorytmów wyniku realizacji badań, których celem była ocena miarowy sondy umieszczony pojemniku w kształcie o średnicy 75mm i układów korekcji został błędów,wdo których użytkownik nie walca ma pełnewpływu temperatury na jakość danych generowanych przez wysokości 550mm. go dostępu [9÷11]. Próby wykonywano w warunkach działania testowane czujniki, otrzymano krzywe prezentujące zmianę systemu, tzn. przetłaczania cieczy roboczej. Sondy hydrostawskazań poziomu cieczy w funkcji zmiany temperatury. Przytyczne zamontowane zostały w dwóch 1000-litrowych zbiornikładowe wyniki otrzymane podczas jednego cyklu zmiany kach, połączonych przewodami o średnicy 22 mm. Przepływ temperatury zaprezentowano na rys. 5. cieczy został wymuszony przez pompę wirową (M1), zapewRezultaty badań wskazują na pewne zaburzenia pracy sonniającą wydatek na poziomie 70 l/min, przy ciśnieniu nieprzedy przy zmianach temperatury. Rejestrowane zmiany poziokraczającym 4 bar. Na pierwszym etapie badań w odstępie mu cieczy (kolor niebieski) powinny się pokrywać ze zmianą dwóch tygodni wykonano serię pięciu napełnień zbiornika dla temperatury (kolor czerwony). Na rys. 5 pomiar poziomu ciesondy nr 1 oraz czterech napełnień dla sondy nr 2. Na drugim czy jest przesunięty względem zmiany temperatury, co może etapie badań wykonano pomiary, w których oceniono wpływ wskazywać na niewystarczającą dokładność stosowanego temperatury na wskazywaną przez sondę nr 1 wartość pozioczujnika temperatury. mu cieczy (glikolu). Badania wykonano w komorze klimatyczfirmystanowiska CLIMATS wykorzystywanego SPIRALE 3 [15]. Czujnik pomiarowy sondy Wnioski Rys. 3. nej Widok w testach eksperymentalnych. umieszczony został w pojemniku w kształcie walca o średnicy 75 mm i wysokości mm. od +20°C do – 25°C, wynika to z doświadczeń Na podstawie uzyskanych wyników z przeprowadzonych kres temperatury podczas badania550 wynosił Zakres temperatury badania wynosił od +20w°C badań analiz stwierdzono, że: eksploatacji systemów paliwowych podczas lokomotyw, zaleceń zawartych normie PN i EN do –25 °C. ●● warunki środowiskowe w istotny sposób wpływają na po0„Paliwa do pojazdów samochodowych -- Oleje napędowe -- Wymagania i metody badań” miary wykonywane za pomocą testowanych paliwomierzy; az na podstawie wytycznych oleju Wyniki badań zawartych w [16].Minimalna temperatura stosowania ●● stosowanie w układach paliwowych czujników, których pędowego, dla najczęściej wykorzystywanego paliwa zimowego gatunku F, wynosi – 20°C. działanie opiera się na pomiarze ciśnienia względnego, ma Wyniki z pierwszego etapu badań przedstawiono w postaci istotny wpływ na dokładność pomiarową całego układu. W celu yniki badań wykresów zmiany ciśnienia hydrostatycznego: dla sondy nr 1 zwiększenia dokładności pomiarowej układu należy stosować na rys. 3, natomiast dla sondy nr 2 – na rys. 4. dodatkowe korekcyjne czujniki ciśnienia, za pomocą których Rozpatrując dwa skrajne przypadkiwdlapostaci sondy nr 1, tj. POM1 możliwa kalibracja pomiaru; yniki z pierwszego etapu badań przedstawiono wykresów zmianybędzie ciśnienia i POM4, otrzymano różnicę we wskazaniach poziomu cieczy ● ● duże znaczenie w obszarze dokładności pomiaru ma rówserwowano podobnej prawidłowości. Na podstawie otrzymanych wyników z obydwu sond drostatycznego. Dla sondy nr. 1 na rys. 4, natomiast dla sondy nr. 2 na rys. 5. równą 430 Pa,badanego co odpowiada różnicy w wysokości słupa błędów cieczy wynikających nież precyzyjny pomiar temperatury cieczy roboczej oraz waaz na podstawie inspekcji układu wykluczono powstanie 2,3 cm, a uwzględniając wymiary geometryczne zbiornika, runki otoczenia, w jakich dokonywany jest pomiar. nieszczelności instalacji czy niewłaściwej pracy pompy. różnica jest równa 23 l cieczy. Po uwzględnieniu pojemności zbiornika błąd pomiarowy sondy równy jest 2,3%, przy pomiaAutorzy składają szczególne podziękowania dla firmy INTECO S.A. za udostępnienie urządzeń pomiarowych oraz odpowiedniej aparatury. LITERATURA serwowano podobnej prawidłowości. Na podstawie otrzymanych wyników z obydwu sond 1.Rychulik A. „Metody pomiaru zużycia paliwa pojazdów użytkoaz na podstawie inspekcji badanego układu wykluczono powstanie błędów wynikających wych”. Eksploatacja i Niezawodność NR 4/2006, s. 37÷41. nieszczelności instalacji czy niewłaściwej pracy pompy. 2.Młynarczyk M., Mrotek Z., Małuj J. „Pokładowy system monitorowania stanu lotniczego płynu hydraulicznego”. Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej 288, Mechanika 85, s. 489÷500. 3.Czerwiński J. „Wybrane zagadnienia związane z cechami metrologicznymi systemu kontroli zużycia paliwa”. Technika Transportu SzyRys. 3. Zmiany poziomu paliwa podczas prób dla sondy nr 1 nowego 3/2008, s. 32÷36. Rys. 4.Zmiany 5.Zmiany poziomu poziomu paliwa paliwa podczas podczas prób prób dla dla sondy sondy nr.1 nr.2 4.Marcinika Z., Pielecha I. „Właściwości silników spalinowych w aspekcie ochrony ozpatrując dwa skrajne przypadki dla sondy nr.1 tj. POM1 i POM4, otrzymano różnicę we środowiska”. Technika Transport Szynowego 5/2008, wyniku realizacji badań, których celem była ocena wpływu temperatury na jakość danych kazaniach poziomu cieczy równą 430 Pa. co odpowiada różnicy w wysokości słupas. 73÷79. cieczy nerowanych przez testowane czujniki, otrzymano krzywe prezentujące zmianę5.Directive wskazań2004/26/EC of the European Parliament and of the Council 3cm a uwzględniając wymiary geometryczne zbiornika różnica jest równa 23-emamending litrom ziomu cieczy w funkcji zmiany temperatury. Przykładowe wyniki otrzymane podczas Directive 97/68/EC on the approximation of the laws of the eczy. Przy uwzględnieniu pojemności zbiornika błąd pomiarowy sondy równy jestMember 2,3%,States relating to measures against the emission of gaseous dnego cyklu zmiany temperatury zaprezentowano na rys. 6. particulate pollutants from internal combustion engines to be inzy pomiarach wykonywanych w stabilnych warunkach pokojowych, przy średniej and różnicy stalled in non-road mobile machinery. 21.04.2004. mperatury na poziomie 2oC. Wydaje się, że otrzymane wyniki zależały od6.Hubertus wartości G. „Diagnozowanie silników wysokoprężnych”. WKŁ, Wartualnie panującego ciśnienia atmosferycznego. W przypadku 2, nie 2002. Rys. 4. Zmiany poziomu paliwa podczas prób sondy nr 2 badań sondy nr.szawa Rys. 5.Zmiany poziomu paliwa podczasdlaprób dla sondy nr.2 7.Brzeżański M. „Bosch „Czujniki w pojazdach samochodowych”. WKŁ, 138 Warszawa 2009. 8.www.ifm.com wyniku realizacji badań, których celem była ocena wpływu temperatury na jakość danych nerowanych przez testowane czujniki, otrzymano krzywe prezentujące zmianę9.www.hubacontrol.com wskazań 10.www.nivelco.com ziomu cieczy w funkcji zmiany temperatury. Przykładowe wyniki otrzymane podczas 11.www.e-direct.endress.com 12.Kortas P. Kropiwnicki J. „Analysis of locomotive engine operating condnego cyklu zmiany temperatury zaprezentowano na rys. 6. ditions during idling” Combustion Engines. 2013, 154(3), 275÷282. 13.Praca zbiorowa „Zasobnikowe układy wtryskowe CommonRail” WKŁ. 2009. 14.Gajek A., Juda Z. „Czujniki”. WKŁ 2011. Rys. 5. Wyniki pomiaru poziomu cieczy uzyskane podczas badań w ko15.www.climats-tec.com ■ klimatycznej Rys. 6. Wynikimorze pomiaru poziomu cieczy uzyskane podczas badań w komorze klimatycznej . ezultaty badań wskazują na pewne zaburzenia pracy sondy przy zmianach temperatury. ejestrowane zmiany poziomu cieczy (kolor niebieski),powinny pokrywać się ze zmianą mperatury (kolor czerwony). Na rys.6 pomiar poziomu cieczy jest przesunięty względem