智能化天然气质量流量计的设计

　　随着中国交通运输业的迅速发展,汽车保有量逐年增加,加之在中国生产和使用的汽车的技术水平相对不是很高,汽车的排放污染已成为一个不可忽视的严重的环境问题,特别是在一些大城市矛盾更加突出,已成为国民经济可持续发展的制约因素。为了控制环境污染,中国也制定了与世界发达国家逐年接轨的较严格的排放法规,为了满足日益严格的排放法规,各种降低汽车排放污染的措施得到广泛重视。压缩天然气(CNG)作为汽车的代用燃料具有低排放的特性,能满足现在和未来较严格的环境保护法规,而且中国天然气储量丰富,因此发展低排放的CNG汽车具有很大的现实意义。在CNG发动机的试验、研究中对于燃料消耗量的测量有两种方法,一是采用体积流量计测量体积流量,测量的结果还要乘以通过测量压力和温度计算出的密度,才能得到质量流量,测量的精度不高;另一种方法是直接采用天然气质量流量计测量,毋须进行计算或修正,测量精度较高、使用方便,但国内尚无此流量计生产。目前国内研究汽车的机构、大专院校、和生产厂家在CNG汽车的研究、试验中对天然气的流量计量采用测体积流量或用称重的方法,测量精度不高和使用不便,急需一种测量精度高、使用方便的天然气质量流量计。

　　天然气的主要成分为甲烷,含量一般在85%以上,中国生产的天然气成分见表1,天然气的理化性能与汽油比较见表2。

　　1　天然气质量流量计的工作原理

　　天然气质量流量计由热膜式质量流量传感器和以单片机为核心的智能化二次仪表组成。

　　1.1　热膜式质量流量传感器

　　热膜式质量流量传感器属于量热式传感器,该传感器利用外热源对传感器探头加热,气体流动时会带走一部分热量,使探头温度改变,通过测量因气体流动而造成的温度变化来反映气体的质量流量。假设:气体的定压比热为Cp,加热元件在流场中由于气体流动造成的温度差为ΔT,气体的质量流量为M,单位时间内消耗的加热能量为E,则加热气体所需要的能量和加热元件温度变化关系可表示为

　　由此可得到气体的质量流量表达式

　　由上表达式可知,欲得到气体的质量流量M有两种方法:一是保持加热功率E恒定,则质量流量M与温差ΔT成反比,通过测量温差ΔT可求得质量流量M,此方法称为恒功率法或恒电流法;二是采用恒温差法,即保持温差ΔT为常数,则质量流量M与加热功率E成正比,通过测量加热功率E可求得质量流量M。

　　恒温差法的输出特性对于输出信号的后续处理比较方便,其输出电压U和气体质量流量M的关系可用下式表示