摘 要 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)以其高精度、寬量程、低壓損、長壽命以及對介質(zhì)密度和壓力不敏感等優(yōu)點(diǎn)，成為壓縮天然氣(CNG)加氣機(jī)檢定裝置的主標(biāo)準(zhǔn)器。依照校準(zhǔn)規(guī)范，校準(zhǔn)的流量區(qū)分為 Ｒ(1)和 Ｒ(2)，對應(yīng)的充裝壓力區(qū)間分別是 0 ～20MPa 和 10 ～20MPa。在實(shí)際校準(zhǔn)過程中，存在流量區(qū) Ｒ(1)和 Ｒ(2)的修正因子不一致。本文從氣體介質(zhì)流動(dòng)的熱力學(xué)特性角度展開研究，提出傳感器的流體管存在溫度梯度，導(dǎo)致傳感器的溫度修正模型失效。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，溫度梯度與壓力差相關(guān)，且成正比關(guān)系。
0 引言
流量是工業(yè)生產(chǎn)中非常重要的熱工參數(shù)，在用于貿(mào)易交接時(shí)，其測量精度直接影響貿(mào)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(yīng)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(tǒng)的流量測量儀表在此狀態(tài)下不能獲得較好的測量精度。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)以其高精度、寬量程、低壓損、長壽命以及對介質(zhì)密度和壓力不敏感等優(yōu)點(diǎn)，從眾多流量測量儀表中脫穎而出，被tuijian為 CNG 流量測量的shou選流量計(jì)。
1 修正因子的不一致
CNG 加氣機(jī)檢定裝置作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)裝置，其精度指標(biāo)要求非常嚴(yán)苛，按照 JJF 1583—2016《標(biāo)準(zhǔn)表法壓縮天然氣加氣機(jī)檢定裝置校準(zhǔn)規(guī)范》的要求，CNG 加氣機(jī)檢定裝置采用質(zhì)量法氣體流量裝置，校準(zhǔn)用介質(zhì)為壓縮空氣，分別測量流量區(qū) Ｒ(1)和 Ｒ(2)的修正因子，合格的修正因子區(qū)間為﹣ 0. 998 ～0. 998。從熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理來講，在零點(diǎn)不發(fā)生漂移的前提下，Ｒ(1)和 Ｒ(2)的修正因子應(yīng)當(dāng)一致，但在實(shí)際檢定工作中卻并非如此。表 1 是CNG 加氣機(jī)檢定裝置的一次校準(zhǔn)結(jié)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(shù)據(jù)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(diǎn)并未發(fā)生漂移，這使得我們必須考慮是否存在未知的質(zhì)量流量計(jì)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(xiàn)象進(jìn)行合理解釋，將影響我們正確地評價(jià) CNG 加氣機(jī)檢定裝置。
2 研究方法
對于熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的誤差研究，目前主要集中在傳感器的力學(xué)結(jié)構(gòu)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(dòng)時(shí)，傳感器兩端和連接管路產(chǎn)生的結(jié)露現(xiàn)象，表明整個(gè)加氣過程存在較大的溫度變化。因此，我們以熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的傳感器內(nèi)流道為研究對象，通過分析氣體在傳感器內(nèi)流動(dòng)時(shí)的熱力學(xué)特性，提出了一種上述現(xiàn)象的成因，并設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。
3 理論分析
CNG 加氣機(jī)檢定裝置由質(zhì)量流量計(jì)、流量計(jì)轉(zhuǎn)接頭、閥門、精密壓力計(jì)、加氣槍座、通訊控制、電源及附件組成。CNG 加氣機(jī)檢定裝置的質(zhì)量流量計(jì)傳感器是雙管并行結(jié)構(gòu)，流量管內(nèi)徑 7mm。傳感器兩端分別設(shè)有分流器和匯流器結(jié)構(gòu)，用以將上游介質(zhì)均勻分配進(jìn)入兩根流量管，再匯流排出，分流器和匯流器的接口內(nèi)徑為 15mm。流量計(jì)轉(zhuǎn)接頭內(nèi)徑為 7mm。由此可見，當(dāng)介質(zhì)從上游管路經(jīng)轉(zhuǎn)接頭進(jìn)入流量計(jì)分流器或者從流量管進(jìn)入?yún)R流器時(shí)，存在流通截面的突變。由熱力學(xué)理論可知，當(dāng)氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于局部阻力，如遇到縮口和調(diào)節(jié)閥門時(shí)，其壓力會(huì)顯著下降，這種現(xiàn)象叫做節(jié)流。工程上由于氣體經(jīng)過閥門等阻流元件時(shí)，由于流速大、時(shí)間短，來不及與外界進(jìn)行熱交換，可近似地作為絕熱過程來處理，稱為絕熱節(jié)流。理想氣體在絕熱節(jié)流前后的溫度是不變的。氣體在節(jié)流過程中的溫度變化叫做焦耳-湯姆遜效應(yīng)(簡稱焦-湯效應(yīng))。造成這種現(xiàn)象的原因是因?yàn)閷?shí)際氣體的焓值不僅是溫度的函數(shù)，也是壓力的函數(shù)。
式中:μ 為焦耳-湯姆遜系數(shù);H 為焓值;ΔT 為節(jié)流后的溫度變化;Δp 為節(jié)流后的壓力變化;T 為溫度;p 為壓力。大多數(shù)實(shí)際氣體在室溫下的節(jié)流過程中都有冷卻效應(yīng)，即通過節(jié)流元件后溫度降低，這種溫度變化叫做正焦耳-湯姆遜效應(yīng)。空氣和天然氣都具有正效應(yīng)。
質(zhì)量流量計(jì)在分流器和匯流器處存在兩次節(jié)流，將產(chǎn)生兩次溫度下降，繼而形成溫度梯度。考慮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。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的組成如圖 1 所示，包括流量管、檢測器、驅(qū)動(dòng)器、熱電阻(PT100)、外殼和變送器等。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的流量管是在諧振的狀態(tài)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(guān)，而材料的線性膨脹系數(shù)和楊氏模量(或剪切模量)又與溫度有關(guān)，因此，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)必須進(jìn)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(shí)時(shí)采集溫度值，結(jié)合實(shí)驗(yàn)測定的溫度系數(shù)(通常為負(fù)常數(shù))實(shí)現(xiàn)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(dāng)流量管存在前述分析的溫度梯度時(shí)，這種修正會(huì)造成錯(cuò)誤。
4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析
為驗(yàn)證質(zhì)量流量計(jì)是否存在“節(jié)流效應(yīng)”，我們設(shè)計(jì)了以下實(shí)驗(yàn)方案:制作相同尺寸結(jié)構(gòu)、相同材質(zhì)的質(zhì)量流量計(jì)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(gè)位置的溫度值，#后計(jì)算溫度梯度。三個(gè)溫度傳感器依次從入口到出口標(biāo)記為 1、2、3，如圖 2 所示。
分別以壓差 20MPa、10MPa、5MPa 為測試點(diǎn)，模擬實(shí)際檢定狀態(tài)，其中 20MPa 對應(yīng)于檢定時(shí)的 Ｒ(1)區(qū)，10MPa 和5MPa 對應(yīng)于 Ｒ(2)區(qū)，相應(yīng)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(jìn)行均勻化，待 3 個(gè)溫度點(diǎn)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(gè)檢定過程可總體描述為:加氣初始階段，三個(gè)位置的溫度持續(xù)下降;隨后，三個(gè)點(diǎn)之間的溫度下降速率開始產(chǎn)生差異，形成從流量管入口到出口的溫度梯度;加氣結(jié)束以后，三個(gè)點(diǎn)的溫度逐步回升，溫度梯度逐漸消失。進(jìn)一步分析，可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)測試點(diǎn)的溫度梯度趨勢也有明顯區(qū)別。溫度梯度#大的是初始流量為 10kg/min，加氣過程持續(xù)了 165s，流量管的入口
和出口處的溫差達(dá)到 2℃;溫度梯度#小的初始流量為 5kg/min，加 氣 過 程 持 續(xù) 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(guān)，且成正比關(guān)系。
和出口處的溫差達(dá)到 2℃;溫度梯度#小的初始流量為 5kg/min，加 氣 過 程 持 續(xù) 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(guān)，且成正比關(guān)系。#后，我們發(fā)現(xiàn)，三個(gè)測試點(diǎn)的溫度梯度并不會(huì)隨著溫度下降而持續(xù)增大，而是在較短的時(shí)間內(nèi)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(shí)長無關(guān)。
5 結(jié)束語
通過實(shí)驗(yàn)測試，我們驗(yàn)證了理論推測，并得到如下結(jié)論:
1)質(zhì)量流量計(jì)在應(yīng)用于高壓氣體測量時(shí)，傳感器中的流量管會(huì)因“節(jié)流效應(yīng)”而形成溫度梯度，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的溫度修正，造成 CNG 加氣機(jī)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(zhì)量流量計(jì)，溫度梯度可視為固有誤差因素，與生產(chǎn)批次無關(guān);
3)由于溫度梯度與壓差相關(guān)，因而 Ｒ(1)區(qū)由溫度梯度所致的誤差大于 Ｒ(2)區(qū)。
關(guān)注我們 實(shí)現(xiàn)共贏