压缩天然气(CNG)加气柱检定系统研究

2014-09-28张朋朱永宏张柯曹玲芝

计测技术 2014年1期

张朋，朱永宏，张柯，曹玲芝

(1.郑州轻工业学院，河南郑州 450002，2.河南省计量科学研究院，河南郑州 450008)

0 引言

压缩天然气一般是通过加气柱给撬车大罐里加气的，流速较大，给撬车加气后运输到子站用来给普通汽车加气。加气机的计量准确关系到贸易双方的利益，所以加气机的计量检定工作备受广大消费者的关注。加气机检定装置是对加气机进行现场检定、校准的一套装置。国内普遍使用的加气机检定装置存在着体积庞大、用户界面不尽友好、量程小等缺点，其流量范围为0～30 m3/h。由于CNG加气柱、卸气柱的流量范围为0～500 m3/h，加气压力25 MPa，所以现行的装置难以对CNG 加气柱的流量开展精确有效的计量检定工作，以致经常造成贸易纠纷。为减少贸易纠纷，亟需建立CNG加气柱的计量检定系统。

1 影响流量测量的因素及解决办法

1.1 高压力、高流速对流量测量的影响

在现场测量CNG时，由于气体的密度低，必须要在很高的压力和很高的流速下才能达到规定的质量流量值，在高压力、高流速下，高速气体通过流量计会引起较严重的噪声，磁电传感器易受到环境噪声的干扰。这就要求所使用的磁电传感器的测量范围大、精度高、抗干扰性能强。将两路传感器正弦信号的相位差转换成为相应的电压信号的同时，为使磁电传感器输出的振幅幅度足够大，趋于平稳，采用基准电压源(传感器的稳压供电电源)解决此问题。

1.2 流体压力对流量测量的影响

首先考虑流体的压力不应超过规定的工作压力，其次考虑静压变化的影响[1]。压力的变化影响测量管绷紧程度和布登效应的程度，并破坏测量管不对称的原零点偏置，同时流体压力的作用使测量管变硬;流体压力和测量管的刚度成正比，由于刚度的增加，使得材料的弹性模量增大，其流量将增大;此外，压力的变化也会引起管子尺寸的变化，从而影响其灵敏度。故此在高压情况下，流体压力对其测量准确度的影响是不可忽略的，压力补偿问题也是必不可少的。在现场测量时，磁电传感器将对当前工况的温度和压力信号进行采集后，送入DSP，按预先植入DSP内的温度、压力补偿数学模型，计算并显示出补偿后的实时流量。

补偿数学模型为

式中:Q为补偿后流量;p为压力;T为温度;C1，C2，C3为常数系数;Q0为补偿前流量。

图1 系统硬件框图

1.3 机械振动对流量测量的影响

在高压、高流速下，其振动会增强。为了减少外部机械振动的影响，采用隔离振动的支撑架和振动管间用柔性管连接，避免振动频率与工作频率 (800～1000 Hz)相同。

2 系统组成

该系统由流量管、激振器 (驱动模块)、磁电传感器 (在流量管流入端和流出端各安装一个)、数字信号处理模块、通讯模块、温度补偿模块、4～20 mA及脉冲输出模块组成，其系统硬件框图如图1所示。

本系统以DSP芯片 TMS320F28335为核心，采用磁电传感器对流量信号进行采集，经放大、滤波、A/D转换等，送入DSP，采用滑动Goertzel算法 (SGA)，将信号x(n)按傅里叶展开为x(n)=a(n)sin(nω)+b(n)cos(nω)，其中信号的相位 φ(n)=arctan[b(n)/a(n)]，则相位差计算公式为Δφ=φ2－φ1，精确计算出相位差和频率，利用DSP快速运算功能，计算出被测流体的密度和质量流量等信息。与上位机进行通信，进行数据的再处理、储存等工作。

3 软件设计

下位机流程图如图2所示，根据相位差计算流量，经温度、压力补偿后，计算出补偿后的流量，再将数据发送给上位机。上位机采用Delphi语言开发操作界面，在流量区 (高压、低压)增加了瞬时流量曲线，此曲线可以直观地实时显示出在此高压力下的瞬时流量的走向，并计算检定数据的误差及重复性以及判断并显示检定结果。上位机流程图如图3所示。