壓縮天然氣(CNG)加氣柱檢定系統研究

張朋，朱永宏，張柯，曹玲芝

(1.鄭州輕工業學院，河南 鄭州 450002，2.河南省計量科學研究院，河南 鄭州 450008)

0 引言

壓縮天然氣一般是通過加氣柱給撬車大罐里加氣的，流速較大，給撬車加氣后運輸到子站用來給普通汽車加氣。加氣機的計量準確關系到貿易雙方的利益，所以加氣機的計量檢定工作備受廣大消費者的關注。加氣機檢定裝置是對加氣機進行現場檢定、校準的一套裝置。國內普遍使用的加氣機檢定裝置存在著體積龐大、用戶界面不盡友好、量程小等缺點，其流量范圍為0～30 m3/h。由于CNG加氣柱、卸氣柱的流量范圍為0～500 m3/h，加氣壓力25 MPa，所以現行的裝置難以對CNG 加氣柱的流量開展精確有效的計量檢定工作，以致經常造成貿易糾紛。為減少貿易糾紛，亟需建立CNG加氣柱的計量檢定系統。

1 影響流量測量的因素及解決辦法

1.1 高壓力、高流速對流量測量的影響

在現場測量CNG時，由于氣體的密度低，必須要在很高的壓力和很高的流速下才能達到規定的質量流量值，在高壓力、高流速下，高速氣體通過流量計會引起較嚴重的噪聲，磁電傳感器易受到環境噪聲的干擾。這就要求所使用的磁電傳感器的測量范圍大、精度高、抗干擾性能強。將兩路傳感器正弦信號的相位差轉換成為相應的電壓信號的同時，為使磁電傳感器輸出的振幅幅度足夠大，趨于平穩，采用基準電壓源(傳感器的穩壓供電電源)解決此問題。

1.2 流體壓力對流量測量的影響

首先考慮流體的壓力不應超過規定的工作壓力，其次考慮靜壓變化的影響[1]。壓力的變化影響測量管繃緊程度和布登效應的程度，并破壞測量管不對稱的原零點偏置，同時流體壓力的作用使測量管變硬;流體壓力和測量管的剛度成正比，由于剛度的增加，使得材料的彈性模量增大，其流量將增大;此外，壓力的變化也會引起管子尺寸的變化，從而影響其靈敏度。故此在高壓情況下，流體壓力對其測量準確度的影響是不可忽略的，壓力補償問題也是必不可少的。在現場測量時，磁電傳感器將對當前工況的溫度和壓力信號進行采集后，送入DSP，按預先植入DSP內的溫度、壓力補償數學模型，計算并顯示出補償后的實時流量。

補償數學模型為

式中:Q為補償后流量;p為壓力;T為溫度;C1，C2，C3為常數系數;Q0為補償前流量。

圖1 系統硬件框圖

1.3 機械振動對流量測量的影響

在高壓、高流速下，其振動會增強。為了減少外部機械振動的影響，采用隔離振動的支撐架和振動管間用柔性管連接，避免振動頻率與工作頻率 (800～1000 Hz)相同。

2 系統組成

該系統由流量管、激振器 (驅動模塊)、磁電傳感器 (在流量管流入端和流出端各安裝一個)、數字信號處理模塊、通訊模塊、溫度補償模塊、4～20 mA及脈沖輸出模塊組成，其系統硬件框圖如圖1所示。

本系統以DSP芯片 TMS320F28335為核心，采用磁電傳感器對流量信號進行采集，經放大、濾波、A/D轉換等，送入DSP，采用滑動Goertzel算法 (SGA)，將信號x(n)按傅里葉展開為x(n)=a(n)sin(nω)+b(n)cos(nω)，其中信號的相位 φ(n)=arctan[b(n)/a(n)]，則相位差計算公式為Δφ=φ2－φ1，精確計算出相位差和頻率，利用DSP快速運算功能，計算出被測流體的密度和質量流量等信息。與上位機進行通信，進行數據的再處理、儲存等工作。

3 軟件設計

下位機流程圖如圖2所示，根據相位差計算流量，經溫度、壓力補償后，計算出補償后的流量，再將數據發送給上位機。上位機采用Delphi語言開發操作界面，在流量區 (高壓、低壓)增加了瞬時流量曲線，此曲線可以直觀地實時顯示出在此高壓力下的瞬時流量的走向，并計算檢定數據的誤差及重復性以及判斷并顯示檢定結果。上位機流程圖如圖3所示。

圖2 下位機流程圖

圖3 上位機流程圖

4 現場測試

為了驗證本系統的穩定性和測量準確度，我們通過設置不同的壓力 (5 MPa和18 MPa)，采用質量法(標準)對比的方法對CNG加氣柱檢定系統進行了現場測試。每個壓力下測量三次，其測量數據分別如表1、表2所示。

表1 5 MPa壓力下的實驗數據

表2 18 MPa壓力下的實驗數據

由表1、表2可以看出，本系統在現場檢定時有良好的穩定性，其誤差優于0.1%，重復性優于0.05%，均符合現場測量的要求。根據表1、表2可分別畫出在不同壓力下的加氣柱系統 (實線)和標準示值 (虛線)的流量曲線，如圖4，圖5所示。根據圖形可看出兩曲線非常接近，其誤差也非常小，穩定性好。

圖4 壓力5 MPa下的流量曲線圖

圖5 壓力18 MPa下的流量曲線圖

在不同壓力下，體積流量隨時間的變化情況，可由瞬時流量曲線給出，如圖6所示。

圖6 瞬時流量曲線

由圖6可知，系統的測量范圍為0～500 m3/h，測量范圍之大，是其它加氣機計量裝置所不及的，現場測試結果符合本系統設計的要求。

5 結束語

本文采用基準源解決了在高壓、高流速下傳感器幅值變化不穩定的問題以及現場振動對測量的影響和壓力補償等問題，通過進行現場測試，證明了本系統的穩定性良好，測量范圍大，測量準確度優于0.1%，重復性優于0.05%。測試結果符合現場計量的要求。

[1]李剛，李蒲生.羅斯蒙特質量流量計測量原理及應用[J].煉油與化工，2004(4):43－47.

[2]徐科軍，于翠欣，蘇建徽，等.基于DSP的科氏質量流量計信號處理系統 [J].儀器儀表學報，2002，23(2):170－178.

[3]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG996－2012壓縮天然氣加氣機檢定規程[S].北京:中國計量出版社，2012.