摘 要 熱式氣體質(zhì)量流量計以其高精度、寬量程、低壓損、長(cháng)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(shí)際校準過(guò)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(zhì)流動(dòng)的熱力學(xué)特性角度展開(kāi)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(shí)驗結果表明，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，在用于貿易交接時(shí)，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(guò)程中存在流量和壓力的變化，致使傳統的流量測量?jì)x表在此狀態(tài)下不能獲得較好的測量精度。熱式氣體質(zhì)量流量計以其高精度、寬量程、低壓損、長(cháng)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?jì)x表中脫穎而出，被tuijian為 CNG 流量測量的shou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(zhì)量法氣體流量裝置，校準用介質(zhì)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(zhì)量流量計的原理來(lái)講，在零點(diǎn)不發(fā)生漂移的前提下，Ｒ(1)和 Ｒ(2)的修正因子應當一致，但在實(shí)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(lái)看，由于 Ｒ(1)超過(guò)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(guò)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(jìn)行合理解釋?zhuān)瑢⒂绊懳覀冋�確地評價(jià) CNG 加氣機檢定裝置。

2 研究方法

對于熱式氣體質(zhì)量流量計的誤差研究，目前主要集中在傳感器的力學(xué)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(guān)察到高壓氣體流動(dòng)時(shí)，傳感器兩端和連接管路產(chǎn)生的結露現象，表明整個(gè)加氣過(guò)程存在較大的溫度變化。因此，我們以熱式氣體質(zhì)量流量計的傳感器內流道為研究對象，通過(guò)分析氣體在傳感器內流動(dòng)時(shí)的熱力學(xué)特性，提出了一種上述現象的成因，并設計實(shí)驗進(jìn)行了驗證。

3 理論分析

CNG 加氣機檢定裝置由質(zhì)量流量計、流量計轉接頭、閥門(mén)、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(zhì)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(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徑為 15mm。流量計轉接頭內徑為 7mm。由此可見(jiàn)，當介質(zhì)從上游管路經(jīng)轉接頭進(jìn)入流量計分流器或者從流量管進(jìn)入匯流器時(shí)，存在流通截面的突變。由熱力學(xué)理論可知，當氣體在管道中流動(dòng)時(shí)，由于局部阻力，如遇到縮口和調節閥門(mén)時(shí)，其壓力會(huì )顯著(zhù)下降，這種現象叫做節流。工程上由于氣體經(jīng)過(guò)閥門(mén)等阻流元件時(shí)，由于流速大、時(shí)間短，來(lái)不及與外界進(jìn)行熱交換，可近似地作為絕熱過(guò)程來(lái)處理，稱(chēng)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(guò)程中的溫度變化叫做焦耳-湯姆遜效應(簡(jiǎn)稱(chēng)焦-湯效應)。造成這種現象的原因是因為實(shí)際氣體的焓值不僅是溫度的函數，也是壓力的函數。

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(shí)際氣體在室溫下的節流過(guò)程中都有冷卻效應，即通過(guò)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�效應。

質(zhì)量流量計在分流器和匯流器處存在兩次節流，將產(chǎn)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。

熱式氣體質(zhì)量流量計的組成如圖 1 所示，包括流量管、檢測器、驅動(dòng)器、熱電阻(PT100)、外殼和變送器等。熱式氣體質(zhì)量流量計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(xiàn)性膨脹系數和楊氏模量(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，結合實(shí)驗測定的溫度系數(通常為負常數)實(shí)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(shí)，這種修正會(huì )造成錯誤。

4 實(shí)驗及結果分析

為驗證質(zhì)量流量計是否存在“節流效應”，我們設計了以下實(shí)驗方案:制作相同尺寸結構、相同材質(zhì)的質(zhì)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(guò)程中三個(gè)位置的溫度值，#后計算溫度梯度。三個(gè)溫度傳感器依次從入口到出口標記為 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 對應于檢定時(shí)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(kāi)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(kāi)始加氣操作。

如圖 3、圖 4、圖 5 所示，整個(gè)檢定過(guò)程可總體描述為:加氣初始階段，三個(gè)位置的溫度持續下降;隨后，三個(gè)點(diǎn)之間的溫度下降速率開(kāi)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)現三個(gè)測試點(diǎn)的溫度梯度趨勢也有明顯區別。溫度梯度#大的是初始流量為 10kg/min，加氣過(guò)程持續了 165s，流量管的入口和出口處的溫差達到 2℃;溫度梯度#小的初始流量為 5kg/min，加 氣 過(guò) 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(guān)，且成正比關(guān)系。

#后，我們發(fā)現，三個(gè)測試點(diǎn)的溫度梯度并不會(huì )隨著(zhù)溫度下降而持續增大，而是在較短的時(shí)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(shí)長(cháng)無(wú)關(guān)。

5 結束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗測試，我們驗證了理論推測，并得到如下結論:

1)質(zhì)量流量計在應用于高壓氣體測量時(shí)，傳感器中的流量管會(huì )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(zhì)量流量計，溫度梯度可視為固有誤差因素，與生產(chǎn)批次無(wú)關(guān);

3)由于溫度梯度與壓差相關(guān)，因而 Ｒ(1)區由溫度梯度所致的誤差大于 Ｒ(2)區。