CNG水分检测仪在线校准装置研制*

朱经国 裴玲丽

(1．甘肃省计量研究院，兰州 730050；2.天华化工机械及自动化研究设计院，兰州 730070)

0 引言

目前车用压缩天然气(CNG)日益发展普及，GB 18047—2000《车用压缩天然气》对组分要求指标中，水分含量是最重要的一项指标。如果含水量过高会引起加气设备及汽车高压储气罐的锈蚀，将会带来很大的危险。现在大部分省份已经强制规定CNG加气站必需配置CNG水分检测仪，否则将不予发放充气许可证。因此，在线监测CNG加气站压缩天然气中的露点是必然的趋势。但CNG水分检测仪的准确性却无法保证。而现有的在线水分检测仪校准设备，使用渗透管式湿度发生器，不但成本高，体积庞大，而且每检测一个量值耗时长，无法实现对在线水分检测仪的现场校准，远远满足不了发展的需求。鉴于此，根据实际需求，我们研制了适合我国国情的便携式CNG水分检测仪在线检定装置。

1 基本原理

该装置主要由鼓泡发生器、温控器、检测部分、取样部分和供电部分等组成，如图1所示。

图1 CNG水分检测仪校准装置总体结构方框图

1.1 系统硬件

可编程序控制器(PLC)是一种用于工业环境的数字式电子系统。这种系统用可编程的存储器做面向用户指令的内部寄存器，完成规定的功能，如逻辑、顺序、定时、计数、运算等，通过数字或者是模拟输入、输出，控制各种类型的机械或过程。可编程控制器及其外围设备的设计，使它能够非常方便地集成到控制系统中。因此，本次的设计将围绕PLC展开。PLC系统一般由中央处理器单元、存储器单元、输入输出单元、外围设备及电源构成。系统结构框图如图2所示。

图2 可编程控制器的基本结构图

曲线拟合是指选择适当的曲线类型来拟合观测数据，并用拟合的曲线方程分析两变量间的关系。是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系的一种数据处理方法。用解析表达式逼近离散数据的一种方法。在科学实验或社会活动中，通过实验或观测得到量x与y的一组数据对(xi，yi)(i=1，2，…m)，其中各xi是彼此不同的。人们希望用一类与数据的背景材料规律相适应的解析表达式，y=f(x，c)来反映量x与y之间的依赖关系，即在一定意义下“最佳”地逼近或拟合已知数据。f(x，c)常称作拟合模型 ，式中c=(c1，c2，…cn)是一些待定参数。当c在f中线性出现时，称为线性模型，否则称为非线性模型。有许多衡量拟合优度的标准，最常用的一种做法是选择参数c使得拟合模型与实际观测值在各点的残差(或离差)ek=yk-f(xk，c)的加权平方和达到最小，此时所求曲线称作在加权最小二乘意义下对数据的拟合曲线。有许多求解拟合曲线的成功方法，对于线性模型一般通过建立和求解方程组来确定参数，从而求得拟合曲线。至于非线性模型，则要借助求解非线性方程组或用最优化方法求得所需参数才能得到拟合曲线。

1.2 系统软件

利用Excel软件来完成曲线拟合。首先建立表格，将数据输入到单元格中，然后选择用来制图的数据所在的单元格区域的X、Y数据。单击工具栏中的图标向导按钮，选择散点图，按图标向导一步步操作可得到原始数据的散点图，如图3所示；从图表栏中选择添加趋势线或在在绘图区域中鼠标指向某一数据点来悬着添加趋势线；在添加趋势线的操作中，在类型项的趋势预测/回归分析类型中选择相应的函数；在选项上选择显示公式即可得到所要拟合的函数。在运用Excel进行拟合时，首先根据原始数据X和Y之间的关系是直线还是曲线，决定是否需要对X和Y进行数据变换，如lnX与Y成直线关系，拟合对数曲线；如lnY与X成直线关系，拟合指数曲线；如lnX与lnY成直线关系，拟合幂函数曲线；如原始数据X和Y间呈抛物线形式或者其他多项式时，不需要对X和Y作数据变换，直接进行多项式拟合。

图3 拟合曲线图

然而单一的公式往往存在有很大的误差，为了提高拟合函数的准确性，可以采用分段函数的方式，将所要拟合的数据细分，用更多的公式来描述数据，如表1所示拟合曲线公式表。

由分段函数可以较为准确地描述表数值，这样为以后编写可编程控制器程序提供极大地方便。ProwerPro是用于LM系列小型PLC编程的专用软件。它基于Windows平台， 包含程序编辑器和仿真

表1拟合曲线公式表

调试器，是标准的可编程逻辑控制器程序开发平台。ProwerPro提供了丰富的指令，按照功能不同可分为转换指令、比较指令、类型转换指令、逻辑运算指令、外部中断及两相计数等51 种类型。为了便于理解和记忆，把这51种类型分为两大类，一类是基本指令，包括全部IEC标准规定指令、高等数学运算指令等，另一类是扩展指令，包括外部中断指令、脉冲输出、两相计数等与硬件端口有关的指令。

再根据指令GE(大于指令)、LE(小于指令)、GT(大于等于指令)和LT(小于等于指令)完成分段函数的编写。

此次设计的CNG水分测定仪在线校准装置带有恒温功能，温度控制程序的设计如图4，要求温度可以恒定在一定值 。晶体管作为一种可变开关，基于输入电压，控制流出电流，因此晶体管可做为电流开关，与一般机械开关不同之处在于晶体管是利用电讯号来控制，可以频繁的而且快速的开启或关断，LM3104带有6点晶体管输出，这样可以采用开关量控制温度。

图4 PID控制程序

控制方案采用PID控制算法。PID的输出值使调节器的开度增加或减少，然而PID的输出值无法控制LM3104的晶体管数字输出。因此，需要对pid的输出进行转换。脉冲宽度调制(PWM)是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，如图5所示。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无(OFF)。电压或电流源是以一种导通(ON)或关断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。导通时即是直流供电被加到负载上的时候，关断时即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。执行PWM操作之前，需要在软件中完成以下工作：1)设置提供调制方波的周期；2)在PWM控制寄存器中设置接通时间；3)设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚；4)启动定时器；5)能使PWM控制器。

图5 PWM编码

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。其控制程序如图6所示，让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

图6 PWM控制程序

在主界面中显示有温度(即当前检测温度)、含水量、温度设定(可以设定恒温温度)、水分含量和露点。硫酸饱和水分压法是制备一般性气体中痕量水分标样的常用方法。当硫酸浓度确定后，与其平衡的水蒸汽压力符合克拉—克劳修斯关系式：

lgp=22.9316-10.51c-(2.458+466.7c)/T

式中，p是硫酸温度为T(K)时的水蒸汽分压值(MPa)；c是硫酸的质量分数。这样一旦硫酸的浓度和温度确定了，其饱和水分压也就可知了。

1.3 不同地区气体含水量的修正

由于不同地区大气压不同，造成鼓泡瓶输出气体凝固点不同，为了解决不同地区之间的由于大气压不同而带来的对鼓泡瓶输出的气体含水量的影响，采用以下公式进行修正。

干燥而清洁的气体(通常为空气或氮气，含水量≤10×106可用高纯氮气)，经过减压及流量调节阀进入鼓泡器的硫酸中，控制压力表的读数为0.03MPa，恒温水浴的温度控制在30℃±0.5℃，经过一段时间的平衡后，由鼓泡瓶输出的气体即可作为校准气体使用。

1.4 仪表的主要技术指标

输入压力：≤1.0MPa；输出流量：≥800ml/min；恒温控制：30℃±0.5℃；输出气体含水量：按硫酸浓度；气体性质：瓶装氮气

1.5 仪器性能测试

经过标准水分发生器在设定值12.5μL/L(90.05%硫酸)和设定值530μL/L(90.05%硫酸)，对7台水分测定仪进行实际测定，其引用误差见表2所示。

表2 水分发生器设定值的测量结果

2 结论

经过中国计量科学研究院对CNG水分检测仪在线检定装置进行综合校准，校准条件：有水分发生器产生恒定的湿气，由M4/1311DR精密露点仪测量露点值，载气：氮气，校准结果见表3。

表3 CNG水分检测仪在线检定装置校准结果

按照不同体积分数(μL/L)设定值，对水分测定仪校准装置进行校准，其结果见表4所示。

表4 CNG水分检测仪在线校准装置湿度示值的校准结果

本文研制的CNG水分检测仪在线校准装置具有测量快速准确、功能完备、运行稳定可靠、结构合理的特点，实现了预期目的。

[1] 钟肇新，范建东.可编程控制器原理及应用.广州：华南理工大学出版社，2004

[2] 艾自胜，张长青，单连成.excel 在曲线拟合中的应用.苏州大学学报，2008，28

[3] 殷洪义.可编程序控制器选择设计与维护.北京：机械工业出版社，2004

[4] 潘炼.检测技术及工程应用.武汉：华中科技大学出版社，2010

[5] 金美兰，赵建楠.标准气体及其应用.北京：化学工业出版社，2003