中国测试技术研究院质量流量计项目组　蔡进

　　1998年，国家出台了天然气汽车发展规划和鼓励发展天然气汽车产业的优惠政策，加大了资金的投入，在全国掀起了发展天然气汽车和建立CNG(压缩天然气，25MPa)充气站的高潮。这项工程的启动使压缩天然气的准确计量成为急需解决的问题之一。目前国外压缩天然气的计量主要采用高压型科里奥利质量流量计，该流量计准确度高、使用方便，但因其价格较高，极大地限制了在我国的推广应用。因此，国产化高压气体科里奥利质量流量计的研制有着十分重要的意义。
　　中国测试技术研究院在国内率先研制成功了具有自主知识产权的高压型气体科里奥利质量流量计，并已成功地应用于CNG售气机。

　　1.原理
　　科里奥利质量流量计是利用流体流过运动管时产生的科氏力来测量流体的质量流量，就其结构而言(指振动管)，可分为弯管与直管、单管与双管。在弯管中，又可分为双U型、双重环型、Ω型、B型、J型、S型等。下面以我们设计的T型管质量流量计为例，说明科里奥利质量流量计的工作原理。

图1

　　如图1所示的T型流管，绕OO′轴作角振动，角速度为ω。流体具有质量M和速度V，产生的科氏力F为:
由此产生的绕MM′轴的扭矩M为:
M=2Fr(2)
由公式(1)和(2)可推出式(3):
M=4mrωV(3)
设流管扭转角为θ、流管的扭转刚度为K，则有:
M=Kθ(4)
我们还可进一步推导出公式(5):
Q=K/(8r²)·Δt(5)
　　公式(5)中Q为质量流量，Δt为扭转角对应的时间差，K为流管扭转弹性系数，r为流管扭转半径。因此我们可以看出:质量流量值Q只与时间间隔及几何常量成正比，这就表明了流量计的准确度只取决于流量计本身的材质及制造准确度。

　　2.质量流量计的组成
　　T型管质量流量计由流量传感器和变送器两部分组成，如图2所示:

图2 质量流量计组成框图

　　流量传感器部分由二个T型流管、二个速度传感器、一个激励器和一个铂电阻温度传感器组成。左右速度传感器的信号用于时间差的测量；激励器用来驱动流管使之产生角振动；铂电阻温度传感器用以测量介质温度。流量计变送器部分的主要功能是对来自流量传感器的两路振动信号进行处理，计算出与质量流量成正比的时间差Δt，从而实现质量流量的测量。

　　3.技术特点
　　我们研制的高压型气体科里奥利质量流量计，在功能和技术指标上瞄准国际90年代同类产品的先进水平，结构设计上采用了先进的T型管结构，电路中采用了先进的微处理器和大规模可编程集成电路，实现了一机多能，大大降低了成本。下面将对T型质量流量计的特点作详细介绍。

　　(1)技术方面
　　在结构上采用T型流管结构，这使得在同样的结构尺寸情况下提高了质量流量测量的灵敏度；采用有限元分析技术设计流管形状尺寸，使流管工作在最佳工作谐振频率，提高了流量计对外界振动干扰的抑制能力。在测量电路中采用对称差动测量技术，抑制了信号中的二次和三次谐波分量，提高了测量的信噪比，实现了时间差Δt的高精度测量，变送器的软件编写采用了先进的PL/M语言，使得整个软件在结构优化、运行效率、可靠性和可扩充性方面具有较好的性能。
流量计的传感器部分和变送器部分均采用本安设计，变送器外壳采用隔爆设计，以保证工业现场应用的安全性。

　　(2)功能方面
　　T型质量流量计可同时测量流体的瞬时质量流量和温度，并可进行流体的质量累计。并提供了可刻度的频率脉冲输出，刻度系数可由用户设定。

　　4.性能指标
　　(1)技术指标
　　我们研制的高压型气体科里奥利质量流量计，达到下列主要技术指标:
　　介质:压缩天然气，最大工作压力25MPa；
　　流量范围:最大流量20kg/min，最小流量1kg/min；
　　零点稳定度:0.003kg/min；
　　流量准确度:±0.2%×流量±传感器零点稳定度。

　　(2)测试结果
　　测量误差曲线如图3所示，测量数据见右表。

图3 质量流量计流量校验误差曲线

　　5.试用情况
　　我们研制的TH006型高压天然气测量用科氏力质量流量计，已于1995年10月和1996年3月在川中矿区南充市充气站和遂宁市充气站试用，效果良好。目前主要用户是四川省石油管理局川中矿区。我们试生产的TH006型质量流量计已先后向用户提供了40余台用于CNG售气机，用户反映较好。重庆流量检测技术研究所流量室从我院购买了一台特别挑选的TH006型质量流量计作为标准流量计，对充气站的CNG售气机进行检定，到现在为止使用时间约有10个月了，安装在汽车上进行流动作业，测量准确度和仪器功能均满足要求，用户较为满意。

　　中国测试技术研究院研制的高压气体科里奥利质量流量计经华体会体育中国首页 科学研究院检测，其主要技术指标已达到美国Micro Motion公司D25型质量流量计的技术水平。国产高压天然气气体质量流量计的研制成功，使得CNG售气机的国产化程度达到100%，从而为我国大规模推广天然气汽车技术创造了有利条件。