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熱式氣體質量流量計在高壓氣體標準裝置中的應用研究

熱式氣體質量流量計在高壓氣體標準裝置中的應用研究

時間:2019-10-22 09:51:10
摘 要 熱式氣體質量流量計以其高精度、寬量程、低壓損、長壽命以及對介質密度和壓力不敏感等優點,成為壓縮天然氣(CNG)加氣機檢定裝置的主標準器。依照校準規范,校準的流量區分為 R(1)和 R(2),對應的充裝壓力區間分別是 0 ~20MPa 和 10 ~20MPa。在實際校準過程中,存在流量區 R(1)和 R(2)的修正因子不一致。本文從氣體介質流動的熱力學特性角度展開研究,提出傳感器的流體管存在溫度梯度,導致傳感器的溫度修正模型失效。實驗結果表明,溫度梯度與壓力差相關,且成正比關系。
0 引言
流量是工業生產中非常重要的熱工參數,在用于貿易交接時,其測量精度直接影響貿易公平。目前,天然氣作為重要的清潔能源,正以壓縮天然氣(CNG)或者液化天然氣(LNG)的方式廣泛地應用到城市交通中。但是,由于 CNG 或 LNG 在加注過程中存在流量和壓力的變化,致使傳統的流量測量儀表在此狀態下不能獲得較好的測量精度。熱式氣體質量流量計以其高精度、寬量程、低壓損、長壽命以及對介質密度和壓力不敏感等優點,從眾多流量測量儀表中脫穎而出,被推薦為 CNG 流量測量的首選流量計。
1 修正因子的不一致
CNG 加氣機檢定裝置作為計量標準裝置,其精度指標要求非常嚴苛,按照 JJF 1583—2016《標準表法壓縮天然氣加氣機檢定裝置校準規范》的要求,CNG 加氣機檢定裝置采用質量法氣體流量裝置,校準用介質為壓縮空氣,分別測量流量區 R(1)和 R(2)的修正因子,合格的修正因子區間為﹣ 0. 998 ~0. 998。從熱式氣體質量流量計的原理來講,在零點不發生漂移的前提下,R(1)和 R(2)的修正因子應當一致,但在實際檢定工作中卻并非如此。表 1 是CNG 加氣機檢定裝置的一次校準結果。從表 1 中我們看到,R(1)和 R(2)的誤差都為正誤差,且 R(1)的誤差大于 R(2)。僅從檢定數據來看,由于 R(1)超過要求,可以判定此臺檢定裝置不合格。但是,此臺檢定裝置在檢定過程中的零點并未發生漂移,這使得我們必須考慮是否存在未知的質量流量計固有誤差,或者檢定方案及流程的不合理性。不能對此種誤差現象進行合理解釋,將影響我們正確地評價 CNG 加氣機檢定裝置。
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2 研究方法
對于熱式氣體質量流量計的誤差研究,目前主要集中在傳感器的力學結構和二次儀表的信號處理,這兩種研究方向在理論上不存在 R(1)和 R(2)修正因子不一致的可能。由于我們能夠明顯地觀察到高壓氣體流動時,傳感器兩端和連接管路產生的結露現象,表明整個加氣過程存在較大的溫度變化。因此,我們以熱式氣體質量流量計的傳感器內流道為研究對象,通過分析氣體在傳感器內流動時的熱力學特性,提出了一種上述現象的成因,并設計實驗進行了驗證。
3 理論分析
CNG 加氣機檢定裝置由質量流量計、流量計轉接頭、閥門、精密壓力計、加氣槍座、通訊控制、電源及附件組成。CNG 加氣機檢定裝置的質量流量計傳感器是雙管并行結構,流量管內徑 7mm。傳感器兩端分別設有分流器和匯流器結構,用以將上游介質均勻分配進入兩根流量管,再匯流排出,分流器和匯流器的接口內徑為 15mm。流量計轉接頭內徑為 7mm。由此可見,當介質從上游管路經轉接頭進入流量計分流器或者從流量管進入匯流器時,存在流通截面的突變。由熱力學理論可知,當氣體在管道中流動時,由于局部阻力,如遇到縮口和調節閥門時,其壓力會顯著下降,這種現象叫做節流。工程上由于氣體經過閥門等阻流元件時,由于流速大、時間短,來不及與外界進行熱交換,可近似地作為絕熱過程來處理,稱為絕熱節流。理想氣體在絕熱節流前后的溫度是不變的。氣體在節流過程中的溫度變化叫做焦耳-湯姆遜效應(簡稱焦-湯效應)。造成這種現象的原因是因為實際氣體的焓值不僅是溫度的函數,也是壓力的函數。
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式中:μ 為焦耳-湯姆遜系數;H 為焓值;ΔT 為節流后的溫度變化;Δp 為節流后的壓力變化;T 為溫度;p 為壓力。大多數實際氣體在室溫下的節流過程中都有冷卻效應,即通過節流元件后溫度降低,這種溫度變化叫做正焦耳-湯姆遜效應?諝夂吞烊粴舛季哂姓。
質量流量計在分流器和匯流器處存在兩次節流,將產生兩次溫度下降,繼而形成溫度梯度?紤]到分流器處的截面變化大于匯流器處,所以分流器的溫度下降大于匯流器。
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熱式氣體質量流量計的組成如圖 1 所示,包括流量管、檢測器、驅動器、熱電阻(PT100)、外殼和變送器等。熱式氣體質量流量計的流量管是在諧振的狀態下工作。其諧振頻率與流量管的幾何尺寸、材料的楊氏模量(或剪切模量)有關,而材料的線性膨脹系數和楊氏模量(或剪切模量)又與溫度有關,因此,熱式氣體質量流量計必須進行溫度修正。通常采用的修正方法是:在流量管的上游入口處安裝溫度傳感器(PT100),實時采集溫度值,結合實驗測定的溫度系數(通常為負常數)實現對流量的修正。但是,這種修正的前提是整根流量管的溫度保持均勻一致。顯然,當流量管存在前述分析的溫度梯度時,這種修正會造成錯誤。
4 實驗及結果分析
為驗證質量流量計是否存在“節流效應”,我們設計了以下實驗方案:制作相同尺寸結構、相同材質的質量流量計傳感器,然后分別在流量管的入口、中段和出口處安裝溫度傳感器(PT100),再由溫記錄儀同步記錄一次加氣過程中三個位置的溫度值,非常后計算溫度梯度。三個溫度傳感器依次從入口到出口標記為 1、2、3,如圖 2 所示。

20191022095300.jpgLHK壓力變送器_差壓變送器_液位變送器_溫度變送器

 
分別以壓差 20MPa、10MPa、5MPa 為測試點,模擬實際檢定狀態,其中 20MPa 對應于檢定時的 R(1)區,10MPa 和5MPa 對應于 R(2)區,相應的初始流量為 10kg/min、7kg/min 和 5kg/min。每次測試開始前,先對流量管的溫度進行均勻化,待 3 個溫度點的溫度值保持相對恒定以后,再開始加氣操作。
如圖 3、圖 4、圖 5 所示,整個檢定過程可總體描述為:加氣初始階段,三個位置的溫度持續下降;隨后,三個點之間的溫度下降速率開始產生差異,形成從流量管入口到出口的溫度梯度;加氣結束以后,三個點的溫度逐步回升,溫度梯度逐漸消失。進一步分析,可以發現三個測試點的溫度梯度趨勢也有明顯區別。溫度梯度非常大的是初始流量為 10kg/min,加氣過程持續了 165s,流量管的入口20191022095315.jpg和出口處的溫差達到 2℃;溫度梯度非常小的初始流量為 5kg/min,加 氣 過 程 持 續 了 60s,溫 差 僅 為1. 1℃。這表明,在不同初始流量下,流量管的溫度梯度和壓差相關,且成正比關系。
非常后,我們發現,三個測試點的溫度梯度并不會隨著溫度下降而持續增大,而是在較短的時間內形成溫度梯度,并保持相對恒定的溫差,這表明溫度梯度形成與加氣時長無關。
5 結束語
通過實驗測試,我們驗證了理論推測,并得到如下結論:
1)質量流量計在應用于高壓氣體測量時,傳感器中的流量管會因“節流效應”而形成溫度梯度,從而導致錯誤的溫度修正,造成 CNG 加氣機檢定裝置R(1)和 R(2)的修正因子不一致;
2)對于同一型號的質量流量計,溫度梯度可視為固有誤差因素,與生產批次無關;
3)由于溫度梯度與壓差相關,因而 R(1)區由溫度梯度所致的誤差大于 R(2)區。
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