中國測試技術研究院質量流量計項目組　蔡進

　　1998年，國家出臺了天然氣汽車發展規劃和鼓勵發展天然氣汽車產業的優惠政策，加大了資金的投入，在全國掀起了發展天然氣汽車和建立CNG(壓縮天然氣，25MPa)充氣站的高潮。這項工程的啟動使壓縮天然氣的準確計量成為急需解決的問題之一。目前國外壓縮天然氣的計量主要采用高壓型科里奧利質量流量計，該流量計準確度高、使用方便，但因其價格較高，極大地限制了在我國的推廣應用。因此，國產化高壓氣體科里奧利質量流量計的研制有著十分重要的意義。
　　中國測試技術研究院在國內率先研制成功了具有自主知識產權的高壓型氣體科里奧利質量流量計，并已成功地應用于CNG售氣機。

　　1.原理
　　科里奧利質量流量計是利用流體流過運動管時產生的科氏力來測量流體的質量流量，就其結構而言(指振動管)，可分為彎管與直管、單管與雙管。在彎管中，又可分為雙U型、雙重環型、Ω型、B型、J型、S型等。下面以我們設計的T型管質量流量計為例，說明科里奧利質量流量計的工作原理。
    

    圖1

　　如圖1所示的T型流管，繞OO′軸作角振動，角速度為ω。流體具有質量M和速度V，產生的科氏力F為:
    由此產生的繞MM′軸的扭矩M為:
    M=2Fr                       (2)
由公式(1)和(2)可推出式(3):
    M=4mrωV                    (3)
設流管扭轉角為θ、流管的扭轉剛度為K，則有:
    M=Kθ                       (4)
我們還可進一步推導出公式(5):
    Q=K/(8r²)·Δt  (5)
　　公式(5)中Q為質量流量，Δt為扭轉角對應的時間差，K為流管扭轉彈性系數，r為流管扭轉半徑。因此我們可以看出:質量流量值Q只與時間間隔及幾何常量成正比，這就表明了流量計的準確度只取決于流量計本身的材質及制造準確度。

　　2.質量流量計的組成
　　T型管質量流量計由流量傳感器和變送器兩部分組成，如圖2所示:
    

    圖2  質量流量計組成框圖

　　流量傳感器部分由二個T型流管、二個速度傳感器、一個激勵器和一個鉑電阻溫度傳感器組成。左右速度傳感器的信號用于時間差的測量；激勵器用來驅動流管使之產生角振動；鉑電阻溫度傳感器用以測量介質溫度。流量計變送器部分的主要功能是對來自流量傳感器的兩路振動信號進行處理，計算出與質量流量成正比的時間差Δt，從而實現質量流量的測量。

　　3.技術特點
　　我們研制的高壓型氣體科里奧利質量流量計，在功能和技術指標上瞄準國際90年代同類產品的先進水平，結構設計上采用了先進的T型管結構，電路中采用了先進的微處理器和大規模可編程集成電路，實現了一機多能，大大降低了成本。下面將對T型質量流量計的特點作詳細介紹。

　　(1)技術方面
　　在結構上采用T型流管結構，這使得在同樣的結構尺寸情況下提高了質量流量測量的靈敏度；采用有限元分析技術設計流管形狀尺寸，使流管工作在最佳工作諧振頻率，提高了流量計對外界振動干擾的抑制能力。在測量電路中采用對稱差動測量技術，抑制了信號中的二次和三次諧波分量，提高了測量的信噪比，實現了時間差Δt的高精度測量，變送器的軟件編寫采用了先進的PL/M語言，使得整個軟件在結構優化、運行效率、可靠性和可擴充性方面具有較好的性能。
　　流量計的傳感器部分和變送器部分均采用本安設計，變送器外殼采用隔爆設計，以保證工業現場應用的安全性。

　　(2)功能方面
　　T型質量流量計可同時測量流體的瞬時質量流量和溫度，并可進行流體的質量累計。并提供了可刻度的頻率脈沖輸出，刻度系數可由用戶設定。

　　4.性能指標
　　(1)技術指標
　　我們研制的高壓型氣體科里奧利質量流量計，達到下列主要技術指標:
　　介質: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；
　　零點穩定度:0.003kg/min；
　　流量準確度:±0.2%×流量±傳感器零點穩定度。

　　(2)測試結果
　　測量誤差曲線如圖3所示，測量數據見右表。
    

    圖3  質量流量計流量校驗誤差曲線

　　5.試用情況
　　我們研制的TH006型高壓天然氣測量用科氏力質量流量計，已于1995年10月和1996年3月在川中礦區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。我們試生產的TH006型質量流量計已先后向用戶提供了40余臺用于CNG售氣機，用戶反映較好。重慶流量檢測技術研究所流量室從我院購買了一臺特別挑選的TH006型質量流量計作為標準流量計，對充氣站的CNG售氣機進行檢定，到現在為止使用時間約有10個月了，安裝在汽車上進行流動作業，測量準確度和儀器功能均滿足要求，用戶較為滿意。

　　中國測試技術研究院研制的高壓氣體科里奧利質量流量計經中國計量科學研究院檢測，其主要技術指標已達到美國Micro Motion公司D25型質量流量計的技術水平。國產高壓天然氣氣體質量流量計的研制成功，使得CNG售氣機的國產化程度達到100%，從而為我國大規模推廣天然氣汽車技術創造了有利條件。