压缩天然气（CNG）加气柱检定系统研究

压缩天然气（CNG）加气柱检定系统研究
张朋;朱永宏;张柯;曹玲芝
【摘要】以 DSP ( TMS320 F28335)芯片为核心，采用高精度A/D对传感器的输出信号进行实时采集，结合现代信号处理算法，精确计算出相位差和频率，利用DSP快速运算功能，算出被测流体的密度和质量流量等信息，并在上位机上采用delphi语言开发用户界面，解决了大流量、高压力下信号的实时采集和流量变化幅度较大等难题。

实验结果表明：该系统有效提高了系统的稳定性和测量准确度，大大缩短了系统的响应时间。

%The DSP chip (TMS320F28335 ) is used as the core, and the real-time acquisition of the output signal of sensors is realized with the high-precision A/D converter. Combined with the modern signal processing algorithm, the phase difference and frequency can be calcu-lated accurately. With the fast operation function of the DSP chip, the information of the flow body such as the density and mass flow rate can also be calculated, which can also be displayed on the PC interface compiled with the Delphi language. The problems such as the real-time acquisition and great changes in flow under big flow and high pressure are solved in the system. Experimental results show that the response time of the sys-tem is shortened and the stability measurement accuracy of the system are enhanced effectively.
【期刊名称】《计测技术》
【年(卷),期】2014(000)001
【总页数】4页(P22-25)
【关键词】压缩天然气;加气柱;相位差
【作者】张朋;朱永宏;张柯;曹玲芝
【作者单位】郑州轻工业学院，河南郑州 450002;河南省计量科学研究院，河南郑州450008;河南省计量科学研究院，河南郑州450008;郑州轻工业学院，河南郑州 450002
【正文语种】中文
【中图分类】TB937
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。

图2 下位机流程图
图3 上位机流程图
4 现场测试
为了验证本系统的稳定性和测量准确度，我们通过设置不同的压力 (5 MPa和18 MPa)，采用质量法(标准)对比的方法对CNG加气柱检定系统进行了现场测试。

每个压力下测量三次，其测量数据分别如表1、表2所示。

表1 5 MPa压力下的实验数据系统质量流量/kg·s－1标准质量流量/kg·s－1示值误差/%重复性/%12.753 12.746 0.05512.698 12.691 0.0550.00512.713 12.707 0.04713.022 13.015 0.05413.104 13.097 0.0530.00113.054 13.047
0.05412.975 12.968 0.05412.981 12.975 0.0460.00512.899 12.893 0.046
表2 18 MPa压力下的实验数据27.458 27.446 0.04427.503 27.491
0.0440.00227.497 27.486 0.04028.005 27.993 0.04328.016 28.003
0.0460.00228.061 28.048 0.04627.896 27.883 0.04727.905 27.893
0.04327.911 27.899 0.0430.002
由表1、表2可以看出，本系统在现场检定时有良好的稳定性，其误差优于0.1%，重复性优于0.05%，均符合现场测量的要求。

根据表1、表2可分别画出在不同
压力下的加气柱系统 (实线)和标准示值 (虚线)的流量曲线，如图4，图5所示。

根据图形可看出两曲线非常接近，其误差也非常小，稳定性好。

图4 压力5 MPa下的流量曲线图
图5 压力18 MPa下的流量曲线图
在不同压力下，体积流量随时间的变化情况，可由瞬时流量曲线给出，如图6所示。

图6 瞬时流量曲线
由图6可知，系统的测量范围为0～500 m3/h，测量范围之大，是其它加气机计量装置所不及的，现场测试结果符合本系统设计的要求。

5 结束语
本文采用基准源解决了在高压、高流速下传感器幅值变化不稳定的问题以及现场振动对测量的影响和压力补偿等问题，通过进行现场测试，证明了本系统的稳定性良好，测量范围大，测量准确度优于0.1%，重复性优于0.05%。

测试结果符合现场计量的要求。

参考文献
[1]李刚，李蒲生.罗斯蒙特质量流量计测量原理及应用[J].炼油与化工，2004(4):43－47.
[2]徐科军，于翠欣，苏建徽，等.基于DSP的科氏质量流量计信号处理系统 [J].仪器仪表学报，2002，23(2):170－178.
[3]国家质量监督检验检疫总局.JJG996－2012压缩天然气加气机检定规程[S].北京:中国计量出版社，2012.。