壓縮天然氣(CNG)加氣柱檢定系統(tǒng)研究

張朋，朱永宏，張柯，曹玲芝

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，河南 鄭州 450002，2.河南省計(jì)量科學(xué)研究院，河南 鄭州 450008)

0 引言

壓縮天然氣一般是通過(guò)加氣柱給撬車大罐里加氣的，流速較大，給撬車加氣后運(yùn)輸?shù)阶诱居脕?lái)給普通汽車加氣。加氣機(jī)的計(jì)量準(zhǔn)確關(guān)系到貿(mào)易雙方的利益，所以加氣機(jī)的計(jì)量檢定工作備受廣大消費(fèi)者的關(guān)注。加氣機(jī)檢定裝置是對(duì)加氣機(jī)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定、校準(zhǔn)的一套裝置。國(guó)內(nèi)普遍使用的加氣機(jī)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(diǎn)，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(xiàn)行的裝置難以對(duì)CNG 加氣柱的流量開(kāi)展精確有效的計(jì)量檢定工作，以致經(jīng)常造成貿(mào)易糾紛。為減少貿(mào)易糾紛，亟需建立CNG加氣柱的計(jì)量檢定系統(tǒng)。

1 影響流量測(cè)量的因素及解決辦法

1.1 高壓力、高流速對(duì)流量測(cè)量的影響

在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量CNG時(shí)，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(dá)到規(guī)定的質(zhì)量流量值，在高壓力、高流速下，高速氣體通過(guò)流量計(jì)會(huì)引起較嚴(yán)重的噪聲，磁電傳感器易受到環(huán)境噪聲的干擾。這就要求所使用的磁電傳感器的測(cè)量范圍大、精度高、抗干擾性能強(qiáng)。將兩路傳感器正弦信號(hào)的相位差轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的電壓信號(hào)的同時(shí)，為使磁電傳感器輸出的振幅幅度足夠大，趨于平穩(wěn)，采用基準(zhǔn)電壓源(傳感器的穩(wěn)壓供電電源)解決此問(wèn)題。

1.2 流體壓力對(duì)流量測(cè)量的影響

首先考慮流體的壓力不應(yīng)超過(guò)規(guī)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(cè)量管繃緊程度和布登效應(yīng)的程度，并破壞測(cè)量管不對(duì)稱的原零點(diǎn)偏置，同時(shí)流體壓力的作用使測(cè)量管變硬;流體壓力和測(cè)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(huì)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(duì)其測(cè)量準(zhǔn)確度的影響是不可忽略的，壓力補(bǔ)償問(wèn)題也是必不可少的。在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量時(shí)，磁電傳感器將對(duì)當(dāng)前工況的溫度和壓力信號(hào)進(jìn)行采集后，送入DSP，按預(yù)先植入DSP內(nèi)的溫度、壓力補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型，計(jì)算并顯示出補(bǔ)償后的實(shí)時(shí)流量。

補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型為

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

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.3 機(jī)械振動(dòng)對(duì)流量測(cè)量的影響

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

2 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由流量管、激振器 (驅(qū)動(dòng)模塊)、磁電傳感器 (在流量管流入端和流出端各安裝一個(gè))、數(shù)字信號(hào)處理模塊、通訊模塊、溫度補(bǔ)償模塊、4～20 mA及脈沖輸出模塊組成，其系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)以DSP芯片 TMS320F28335為核心，采用磁電傳感器對(duì)流量信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換等，送入DSP，采用滑動(dòng)Goertzel算法 (SGA)，將信號(hào)x(n)按傅里葉展開(kāi)為x(n)=a(n)sin(nω)+b(n)cos(nω)，其中信號(hào)的相位 φ(n)=arctan[b(n)/a(n)]，則相位差計(jì)算公式為Δφ=φ2－φ1，精確計(jì)算出相位差和頻率，利用DSP快速運(yùn)算功能，計(jì)算出被測(cè)流體的密度和質(zhì)量流量等信息。與上位機(jī)進(jìn)行通信，進(jìn)行數(shù)據(jù)的再處理、儲(chǔ)存等工作。

3 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)流程圖如圖2所示，根據(jù)相位差計(jì)算流量，經(jīng)溫度、壓力補(bǔ)償后，計(jì)算出補(bǔ)償后的流量，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。上位機(jī)采用Delphi語(yǔ)言開(kāi)發(fā)操作界面，在流量區(qū) (高壓、低壓)增加了瞬時(shí)流量曲線，此曲線可以直觀地實(shí)時(shí)顯示出在此高壓力下的瞬時(shí)流量的走向，并計(jì)算檢定數(shù)據(jù)的誤差及重復(fù)性以及判斷并顯示檢定結(jié)果。上位機(jī)流程圖如圖3所示。

圖2 下位機(jī)流程圖

圖3 上位機(jī)流程圖

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量準(zhǔn)確度，我們通過(guò)設(shè)置不同的壓力 (5 MPa和18 MPa)，采用質(zhì)量法(標(biāo)準(zhǔn))對(duì)比的方法對(duì)CNG加氣柱檢定系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。每個(gè)壓力下測(cè)量三次，其測(cè)量數(shù)據(jù)分別如表1、表2所示。

表1 5 MPa壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 18 MPa壓力下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表1、表2可以看出，本系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)檢定時(shí)有良好的穩(wěn)定性，其誤差優(yōu)于0.1%，重復(fù)性優(yōu)于0.05%，均符合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求。根據(jù)表1、表2可分別畫(huà)出在不同壓力下的加氣柱系統(tǒng) (實(shí)線)和標(biāo)準(zhǔn)示值 (虛線)的流量曲線，如圖4，圖5所示。根據(jù)圖形可看出兩曲線非常接近，其誤差也非常小，穩(wěn)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(shí)間的變化情況，可由瞬時(shí)流量曲線給出，如圖6所示。

圖6 瞬時(shí)流量曲線

由圖6可知，系統(tǒng)的測(cè)量范圍為0～500 m3/h，測(cè)量范圍之大，是其它加氣機(jī)計(jì)量裝置所不及的，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用基準(zhǔn)源解決了在高壓、高流速下傳感器幅值變化不穩(wěn)定的問(wèn)題以及現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)對(duì)測(cè)量的影響和壓力補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題，通過(guò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，證明了本系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好，測(cè)量范圍大，測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1%，重復(fù)性優(yōu)于0.05%。測(cè)試結(jié)果符合現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量的要求。

[1]李剛，李蒲生.羅斯蒙特質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理及應(yīng)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(zhì)量流量計(jì)信號(hào)處理系統(tǒng) [J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2002，23(2):170－178.

[3]國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG996－2012壓縮天然氣加氣機(jī)檢定規(guī)程[S].北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2012.