质量流量计在CNG加气机计量中的运用

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人们常称21世纪是天然气世纪，中国天然气黄金时代 已经到来。天然气经济效应”将推动我国的能源革命、环保革命、产业革命向着-个崭新的阶段发展。

我 国政府 已推出-系列支持和鼓励发展国内天然气的政策，为促进我国能源革命向天然气转换，提供了有力的保证。

CNG (Compressed Natural Gas，压缩天然气 )作为-种新型高效、洁净的汽车燃料，与燃油相比，具有以下优点，因而已在国际上，逐渐得到了广泛的应用。

(1)节约燃料费用，降低运输成本：随着国际原油价格的- 再飞速上涨，燃油成本已比燃气贵出约-倍。

(2)安全性高：CNG自燃温度为732(3，汽油自燃温度为232482C。同时天然气相对空气的比重仅为0.6～0.7。-旦泄漏，可在空气中迅速扩散，不易在户外聚集达到爆炸极限。

同时CNG是非致癌、无毒、无腐蚀性的。未发生过重大燃烧和爆炸事故。从国内使用十多年CNG的经验来看 ，天然气汽车比燃油汽车更安全。

CNG的抗爆性相当于汽油的辛烷值在 130左右，而 目前使用的汽油辛烷值最高仅在96左右，所以CNG作为汽车燃料不需添IIII。如铅等抗爆剂。

使用CNG替代汽油作为汽车燃料，可使 CO排放量减少97%，CH化合物减少 72%，No化合物减少 39%，CO 减少24%，SO 减少90%，噪音减少40%。而且 CNG不含铅 、苯等制癌的有毒物质。所有 CNG是汽车运输行业解决环保问题的首选燃料。

无重烃可减少积碳，可延长汽车大修理时间20%以上，润滑油更换周期延长到 1.5万km。提高了发动机寿命 ，维修费用降低，比使用常规燃料节约50%左右的维修费用。

104收稿日期：2013.01.191 CNG加气机的设计制造难点由于 CNG汽车的上述优点，为其加注的CNG加气机也就应运而生。但相比于传统的加注计量装置，CNG加气机的设计制造，存在着诸多的难点：1.1 测量难度大，精度难以保证。

(1)根据波义耳马略特定律 (即理想气体状态方程)：pV C (1)式中：P为绝对压力，Pa；v为气体体积， ；T为绝对温度，K；C为常数。

由式 (1)可知，在充气过程中，压力的变化将直接影响体积量；同时，加气的膨胀和压缩过程中会产生吸放热，引起温度变化，也将间接影响体积量。该影响量不可忽视，在温度变化 10℃时，体积量将变化约3%。

(2)工作压力高 (达25MPa)，并且在充气过程中，加气站普遍采用三压力顺序充气方式，压力波动幅度大，给精确测量增加了难度。

(3)密度变化大。由于天然气是由多种成分的气体组成，因开发地 的不 同而各种成分的比例含量 的不同，密度是变化的。

1.3 可靠性要求高。高压元件、环境条件差 (室外、点火干扰、 雷击 )1.4 参数计算及控制要求高。三压力加气、压力测量计算、加气参数优化等对电脑的要求高。

本文将主要讨论精确计量的问题。因为天然气测量的上述特点，如采用容积式流量计、速度式流量计、差压式流量计等类型的流量计，因压力和温度的变化对体积的影响太大，即使采用温度补偿和压力补偿的方法也难以达到高精度的要求，况且气体压缩系数的影响是难以补偿的，所以体积测量方法是难以达到的。

在讨论上述变量时，唯-不变的物理量，那就是质量。因此，我认为采用直接测量流体质量的科里奥利质量流量计是最好的解决方法。

《自动化与仪器仪表2013年第3期(总第 167期)2 科里奥利质量流量计的原理和结构科里奥利质量流量计 (Coriolis Mass Flowmeter，简写为CMF)，顾名思义，是-种直接测量流体质量的流量计 。它是利用流体流过振动管道时产生的Corilois效应对管道两端振动相位或幅度影响来测量流过管道的流体质量的。理论上，它是-种直接测量流体质量流量的精确方法。相对于容积式流量计，从机理上 (理想模型)讲，排除了温度 、压力、流体状态、密度变化、导电性的影响，具有天然的高精度，是流量计的-个发展方向。

基于流体振动原理工作的CMF通常由流量传感器 (又名流量检测元件、-次仪表)和变送器 (又名转换器、二次仪表)两部分组成。传感器部分包括测量管、驱动器和拾振器、维持振动管持续振动的反馈电路等。用于感受流体流过由激振器激振测量管时产生的科氏效应，由拾振器拾取并送到变送器。CMF的变送器主要由信号放大，流量和密度解算补偿 的电路和软件，以及人机和通讯接 口 (显示和输出)等组成。用于测量与质量流量成正比例的两路振动信号的时间差或相位差，以及与流体密度对应的测量管谐振频率。

CMF发展到现在已有40余种系列品种，其主要区别在于流量传感器测量管结构上设计创新；提高仪表精确度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管挠度，改善应力分布，降低疲劳损坏；加强抗干扰能力等。因而测量管出现了多种形状和结构。

按测量管形状可分为直形和弯曲形：由于直形测量管刚性大，管壁相对较薄，在做CNG高压测量时，存在安全隐患。

因此 ，El前以弯曲形为主，如：u形 、S形、n形、B形、J形、圆环形、长圆环形等。

按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式可分为并行方式和垂直方式。

本文将以-种典型的传感器结构，即双u形并联结构来说明CMF的工作原理。基本结构见图1。

图1 双u形管结构图2表示了u形管的工作原理：电磁驱动系统以固定频率驱动u形测量管振动，当流体被强制接受管子的垂直运动时，在前半个振动周期内，管子向上运动，测量管中流体在驱动点前产生-个向下压的力，阻碍管子的向上运动，而在驱动点后产生向上的力，加速管子向上运动。这两个力的合成，使得测量管发生扭曲；在振动的另外半周期内，扭曲方向则相反。

B向上运动时在-根传感首上的作用力扭转角图2 U形管工作原理测量管扭曲的程度，与流体流过测量管的质量流量成正比，在驱动点两侧的测量管上安装电磁感应器 (又称拾振器、检测线圈)，以测量其运动的相位差，这-相位差直接正比于流过的质量流量。

在双u形测量管结构中，两根测量管的振动方向相反，使得测量管扭 曲相位相差 180度，如图3所示。相对单测量管型来说，双管型的检测信号有所放大，流通能力也有所提高。

图3 测量管变形示意图当无流体流过时 (即使测量管内充满流体)，测量管处于单-振型的振动状态，即主振动状态，如图4所示。在此情况下，进、出口侧检测线圈检出的正弦波信号相位相反，相位相差 180。

蠹 .-。-. ， - . .·。 时 蜘图4 无流体通过时检测线圈输出图当有流体流过时，测量管因科氏力的作用，将产生-个与主振动同频率的附加扭转运动，如图5所示。

./、、。 . ：/时问图5 由流体流动引起的科里奥利力此时，测量管处于主振动和与之同频率的叠加振动和复合振动状态 (图4与图5的叠加)▲、出口侧检测线圈检出的正弦波信号出现-相位差。如图6所示。

105质量流量计在CNGH气机计量中的运用 陈芳，等/-、> // 4-，m-图6 有流体流动时检测线圈输出图图6显示了当测量管中充满流体，且流体有流动时，从两个检测线圈输出的电压信号，电压信号仍为正弦波信号，但两个信号在通过平衡位置时己产生时间差，而这-时间差的大小是和流体的质量流量成正比的，通过测量这-时间差就可以测得流体的质量流量。

流入方向 - 扭角毋驱动力图7 测量管受力变形图角如图7所示，当有流体流过时，u形管的进、出口端受到大小相等、方向相反的-对力偶，即科氏力的影响而产生扭转变形，扭转角为0。

由牛顿第二定律 Fma及a20v，可得：F2mtov (2)式中，F为测量管所受科氏力，N；m为测量管内流体质量，kg；(I)为测量管振动角速度，rad/s；V为测量管内流体 的流速，m/s。

又有，测量管所受力矩MF Xr F：Xr2因F1F：2mcov，rl1"2，所以M 2Fr4mtovr (3)当管长为L (传感器设计制造时己确定)，时间为 t时，流过测量管的质量流量Q m/t，流速vL/t式 (3)变为：M4mrQ L (4)管子具有金属性 ，因刚性而反弹 ，当刚度为 Ks扭角为0时，管子的反弹矩为：TKs0因TM，结合式 (4)，有：4torQ LKs0所以Q (5)设管子的中点振动速度为 ，有v (1)L。由图7可知，Sin0v At/2r，即 SinO：1)L△t/2r这里的△t为图中P 、P：点在z-Z横切面上的时间差，即安装于该两点上的检测线圈所测得的时间差。

当0较小时SinO0即：1060 △ (6)将式 (6)代入式 (5)：Om由上式可知流体的质量流量Q 与流经检测点P1、P2的时间△t成正比，而与管子的振动频率、材质以及流体的密度、粘度、压力、温度等物理特性无关。当管内无流动时，这对传感器发出正弦波信号；当流体在管内流动而管子扭动时流体入口侧同出口侧所得的电压信号之间产生相位差 (即时间差At)把这-信号通过过滤、增幅后在积分产生基准流量信号，再变换为质量流量信号。

3 CMF与CNG加气机的结合本文分析了CNG加气机计量的难题，以及 CMF的原理和结构，说明了CMF是CNG加气机计量功能的必选仪表：CMF是直接式的质量流量计 。质量是不受流体种类 (密度、粘度)和过程条件 (温度、压力)影响的基本物理量，如测量体积流量来演算质量因温度、压力、密度等测量误差而带来的演算误差，得到高精度是困难的。而测量对象多样化、复合化就更需要质量流量计的直接测量。这-点正适合压缩天然气温度、压力、密度等参数变化大的工况条件。

能测量广范围的流体：从液体到固体、乳剂、高压气体的广范围的流体都能测量，没有流体妨碍部件，即使管子内面粘附物使管子内径变小，但从原理上对精度没有影响。因此它完全适合来测量高压天然气，且解决了可靠性的问题，不容易产生故障。

高精度、高灵敏度：同-尺寸流量计的流量范围，虽然因制造商和机种而不同，但都能测量 1：20～1：100的流量范围，准确度E和保证范围也因生产厂家和机种而异-般为：E± (O.1～0.2)%±零点漂移×100%。从这-点看保证了压缩天然气加气流量范 围大 ，且作为贸 易结算精度要求高的测量要求。

结构简单，且传感器被惰性气体密闭，不受外部环境和温度 的影响，不必定期维护。适用于加气机这样 的恶劣环境使用。

测量使用温度 的允许 范围宽 。标准型为-24O～240(2(但因厂家、机种范围不同)。特殊品425qC也可使用。适用于压缩天然气因膨胀压缩温度时时变化的诚。

能输出高频率脉冲数。脉冲输出可在 0～10000Hz的范围内任意设定。利用这-高分辨率的高精度来测量气体是太适合不过的。

校正 (误差测试)容易。用衡器来校正测量方法简单，特别适合现踌定和校正。

4 结 论本文分析了天然气作为经济、安全、环保的新型燃料，已在国际上得到了广泛的应用，同时由于国际石油价格的持续高涨，也为天然气作为汽车燃料起到了推波助澜的作用。但 由于天然气受压力、温度等过程变量的影响，如采用传统流量仪(下转第 109页)《自动化与仪器仪表)2013年第3期(总第167期)图2 差压液位变送器调节示意图3.3.2单法兰差压变送器的调校和误差分析根据图1，可知此单法兰差压变送器存在 零点”迁移问题，DWS系统中涉及到的两个储存箱上部都是与外部大气相连，因此需对仪表做负迁移。实现零点负迁移的方法是：调整零位电位器，其作用是将变送器的测量从起点迁移到某-负值，同时改变测量范围的上下限值，实现测量范围的平移，但不改变其量程的大小；如果迁移量较大，那么先把迁移跨接件插到 负迁移 (Ez)”的位置上再进行负迁移。

3151系列智能差压液位变送器除了具有远程调校方式外，还可实现现场仪表的零点和量程调整功能，现场调校过程中必须加入实际压力。仪表的现场调校功能通过调零键 (ZERO)和调满度键 (SPAN)来完成。

使用单法兰差压变送器测量储罐的液位，需要考虑此表由于检定、安装及环境因素等的误差：(1)压力变送器的检定点应包括上 、下限值 (或其附近10%输入量程以内)在内不少于5个点，检定点基本均匀地分布在整个测量范围内；检定时，从下限值开始平稳地输入压力信号到各检定点，读取并记录输出值至上限，然后反方向平稳地改变压力信号到各检定点，读取并记录输出值直至下限。在鉴定过程中不允许调零点和量程，不允许轻敲或振动变送器，在接近检定点时，输入压力信号应足够慢，须避免过冲现象。

压力变送器的基本误差按公式 (1)计算：△AA -A， (1)其中，△A为压力变送器各检定的测量误差 ； 为压力变送器上行程或下行程各检定点的实际输出值； 为压力变送器各检定点的理论输出值。

(2)检定变送器的回程误差与检定变送器的基本误差同时进行。回程误差按公式 (2)计算：△AdlAdl-A l (2)其中，△ 为压力变送器的回程误差值；A 为压力变送器上行程和下行程各检定点的实际输出值。

(3)法兰平面与水平面的角度引起误差，正确做法是法兰平面应垂直于水平面；另外测量膜盒也应垂直于水平面，否则也会产生误差。

(4)对于安装于室外的单法兰差压变送器，冬天的低温和昼夜温差大也会对毛细管中填充的硅油比重产生影响，从而产生测量误差；另外毛细管应自然垂放并固定，如果毛细管太长，应卷在-起用夹子固定。

4 结束语本文首先介绍了通用压力仪表、压力式液位测量仪表及安装注意事项，然后针对用于AP1000 DWS系统中的单法兰差压变送器，介绍了其设定点计算以及分析了可能产生误差的因素，为仪表的使用提供有利的参考。