中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院質(zhì)量流量計(jì)項(xiàng)目組　蔡進(jìn)

　　1998年，國(guó)家出臺(tái)了天然氣汽車發(fā)展規(guī)劃和鼓勵(lì)發(fā)展天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的優(yōu)惠政策，加大了資金的投入，在全國(guó)掀起了發(fā)展天然氣汽車和建立CNG(壓縮天然氣，25MPa)充氣站的高潮。這項(xiàng)工程的啟動(dòng)使壓縮天然氣的準(zhǔn)確計(jì)量成為急需解決的問(wèn)題之一。目前國(guó)外壓縮天然氣的計(jì)量主要采用高壓型科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，該流量計(jì)準(zhǔn)確度高、使用方便，但因其價(jià)格較高，極大地限制了在我國(guó)的推廣應(yīng)用。因此，國(guó)產(chǎn)化高壓氣體科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的研制有著十分重要的意義。
　　中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院在國(guó)內(nèi)率先研制成功了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高壓型氣體科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，并已成功地應(yīng)用于CNG售氣機(jī)。

　　1.原理
　　科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是利用流體流過(guò)運(yùn)動(dòng)管時(shí)產(chǎn)生的科氏力來(lái)測(cè)量流體的質(zhì)量流量，就其結(jié)構(gòu)而言(指振動(dòng)管)，可分為彎管與直管、單管與雙管。在彎管中，又可分為雙U型、雙重環(huán)型、Ω型、B型、J型、S型等。下面以我們?cè)O(shè)計(jì)的T型管質(zhì)量流量計(jì)為例，說(shuō)明科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的工作原理。
    

    圖1

　　如圖1所示的T型流管，繞OO′軸作角振動(dòng)，角速度為ω。流體具有質(zhì)量M和速度V，產(chǎn)生的科氏力F為:
    由此產(chǎn)生的繞MM′軸的扭矩M為:
    M=2Fr                       (2)
由公式(1)和(2)可推出式(3):
    M=4mrωV                    (3)
設(shè)流管扭轉(zhuǎn)角為θ、流管的扭轉(zhuǎn)剛度為K，則有:
    M=Kθ                       (4)
我們還可進(jìn)一步推導(dǎo)出公式(5):
    Q=K/(8r²)·Δt  (5)
　　公式(5)中Q為質(zhì)量流量，Δt為扭轉(zhuǎn)角對(duì)應(yīng)的時(shí)間差，K為流管扭轉(zhuǎn)彈性系數(shù)，r為流管扭轉(zhuǎn)半徑。因此我們可以看出:質(zhì)量流量值Q只與時(shí)間間隔及幾何常量成正比，這就表明了流量計(jì)的準(zhǔn)確度只取決于流量計(jì)本身的材質(zhì)及制造準(zhǔn)確度。

　　2.質(zhì)量流量計(jì)的組成
　　T型管質(zhì)量流量計(jì)由流量傳感器和變送器兩部分組成，如圖2所示:
    

    圖2  質(zhì)量流量計(jì)組成框圖

　　流量傳感器部分由二個(gè)T型流管、二個(gè)速度傳感器、一個(gè)激勵(lì)器和一個(gè)鉑電阻溫度傳感器組成。左右速度傳感器的信號(hào)用于時(shí)間差的測(cè)量；激勵(lì)器用來(lái)驅(qū)動(dòng)流管使之產(chǎn)生角振動(dòng)；鉑電阻溫度傳感器用以測(cè)量介質(zhì)溫度。流量計(jì)變送器部分的主要功能是對(duì)來(lái)自流量傳感器的兩路振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行處理，計(jì)算出與質(zhì)量流量成正比的時(shí)間差Δt，從而實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量的測(cè)量。

　　3.技術(shù)特點(diǎn)
　　我們研制的高壓型氣體科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，在功能和技術(shù)指標(biāo)上瞄準(zhǔn)國(guó)際90年代同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采用了先進(jìn)的T型管結(jié)構(gòu)，電路中采用了先進(jìn)的微處理器和大規(guī)?？删幊碳呻娐罚瑢?shí)現(xiàn)了一機(jī)多能，大大降低了成本。下面將對(duì)T型質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)作詳細(xì)介紹。

　　(1)技術(shù)方面
　　在結(jié)構(gòu)上采用T型流管結(jié)構(gòu)，這使得在同樣的結(jié)構(gòu)尺寸情況下提高了質(zhì)量流量測(cè)量的靈敏度；采用有限元分析技術(shù)設(shè)計(jì)流管形狀尺寸，使流管工作在最佳工作諧振頻率，提高了流量計(jì)對(duì)外界振動(dòng)干擾的抑制能力。在測(cè)量電路中采用對(duì)稱差動(dòng)測(cè)量技術(shù)，抑制了信號(hào)中的二次和三次諧波分量，提高了測(cè)量的信噪比，實(shí)現(xiàn)了時(shí)間差Δt的高精度測(cè)量，變送器的軟件編寫采用了先進(jìn)的PL/M語(yǔ)言，使得整個(gè)軟件在結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)行效率、可靠性和可擴(kuò)充性方面具有較好的性能。
　　流量計(jì)的傳感器部分和變送器部分均采用本安設(shè)計(jì)，變送器外殼采用隔爆設(shè)計(jì)，以保證工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的安全性。

　　(2)功能方面
　　T型質(zhì)量流量計(jì)可同時(shí)測(cè)量流體的瞬時(shí)質(zhì)量流量和溫度，并可進(jìn)行流體的質(zhì)量累計(jì)。并提供了可刻度的頻率脈沖輸出，刻度系數(shù)可由用戶設(shè)定。

　　4.性能指標(biāo)
　　(1)技術(shù)指標(biāo)
　　我們研制的高壓型氣體科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，達(dá)到下列主要技術(shù)指標(biāo):
　　介質(zhì):壓縮天然氣，最大工作壓力25MPa；
　　流量范圍:最大流量20kg/min，最小流量1kg/min；
　　零點(diǎn)穩(wěn)定度:0.003kg/min；
　　流量準(zhǔn)確度:±0.2%×流量±傳感器零點(diǎn)穩(wěn)定度。

　　(2)測(cè)試結(jié)果
　　測(cè)量誤差曲線如圖3所示，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)右表。
    

    圖3  質(zhì)量流量計(jì)流量校驗(yàn)誤差曲線

　　5.試用情況
　　我們研制的TH006型高壓天然氣測(cè)量用科氏力質(zhì)量流量計(jì)，已于1995年10月和1996年3月在川中礦區(qū)南充市充氣站和遂寧市充氣站試用，效果良好。目前主要用戶是四川省石油管理局川中礦區(qū)。我們?cè)嚿a(chǎn)的TH006型質(zhì)量流量計(jì)已先后向用戶提供了40余臺(tái)用于CNG售氣機(jī)，用戶反映較好。重慶流量檢測(cè)技術(shù)研究所流量室從我院購(gòu)買了一臺(tái)特別挑選的TH006型質(zhì)量流量計(jì)作為標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)，對(duì)充氣站的CNG售氣機(jī)進(jìn)行檢定，到現(xiàn)在為止使用時(shí)間約有10個(gè)月了，安裝在汽車上進(jìn)行流動(dòng)作業(yè)，測(cè)量準(zhǔn)確度和儀器功能均滿足要求，用戶較為滿意。

　　中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院研制的高壓氣體科里奧利質(zhì)量流量計(jì)經(jīng)中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院檢測(cè)，其主要技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到美國(guó)Micro Motion公司D25型質(zhì)量流量計(jì)的技術(shù)水平。國(guó)產(chǎn)高壓天然氣氣體質(zhì)量流量計(jì)的研制成功，使得CNG售氣機(jī)的國(guó)產(chǎn)化程度達(dá)到100%，從而為我國(guó)大規(guī)模推廣天然氣汽車技術(shù)創(chuàng)造了有利條件。