摘 要：科氏力質(zhì)量流量計由于有著能直接測量質(zhì)量流量的優(yōu)點(diǎn)，在我國從90年代初進(jìn)入工業(yè)測量領(lǐng)域以來，應(yīng)用越來越廣泛。早期的質(zhì)量流量計生產(chǎn)廠家都宣稱其產(chǎn)品不受被測介質(zhì)的密度、溫度、壓力、粘度等變化的影響，隨著近幾年的大量應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)測量介質(zhì)的物理參量的變化對其測量精度是有影響的。本文主要討論被測介質(zhì)壓力的變化對流量計測量精度的影響。
關(guān)鍵詞：科氏力，質(zhì)量流量計，測量精度，測量介質(zhì)，工作壓力，誤差
一、 科氏力質(zhì)量流量計的工作原理
科氏力質(zhì)量流量計是運(yùn)用流體質(zhì)量流量對振動管振蕩的調(diào)制作用即科里奧利力現(xiàn)象為原理，以質(zhì)量流量測量為目的的質(zhì)量流量計。一般由傳感器和變送器組成。
如圖一所示。當(dāng)質(zhì)量為δm的流體質(zhì)點(diǎn)，以速度V沿管道AB運(yùn)動，同時，管道AB又以A點(diǎn)為圓心以角速度Ω轉(zhuǎn)動，當(dāng)該質(zhì)點(diǎn)做上述復(fù)合運(yùn)動時，在任意一點(diǎn)M處，質(zhì)點(diǎn)具有兩個加速度分量：向心加速度ar, 方向指向A點(diǎn)；科氏加速度ak,方向向上，量值為2ΩV。為使流體質(zhì)點(diǎn)具有科氏加速度，需要在ak 方向施加一個大小等于2ΩVδm的力，這個力來自管道，而流體質(zhì)點(diǎn)反作用于管道上的力就是科氏力Fc，方向如圖所示。
Fc=2ΩVδm (1)
如圖二所示，若流體密度為ρ，以速度V沿管道AB流動，設(shè)管道橫截面積為S，則任一段長度為△X管道上的科氏力△Fc為：
Fc= -△mak (2)
式中△m為長度△X管道中的流體質(zhì)量。△m=ρS△X
△Fc=-2ρS△X(Ω×V) (3)
由于上述管道中的流體，其Ω與V的夾角為90oC，質(zhì)量流量qm=ρSV, 有： qm=△Fc/2Ω△X (4)
從式(4)中可以看出，測量在旋轉(zhuǎn)管道中流體的科氏力就可以直接測得質(zhì)量流量。在實(shí)際應(yīng)用中使測量管道做簡諧振動，用振動的方式代替旋轉(zhuǎn)的方式，利用電磁或光電的檢測器檢測科氏力對振動的影響從而測得管道中的質(zhì)量流量。
按照傳感器測量管的形狀，質(zhì)量流量計分為直管型和彎管型兩大類。直管型一般尺寸較小，不易積氣，易于清洗，但由于其振動系統(tǒng)剛度大，諧振頻率高，相位差小，電信號處理較困難。為了降低諧振頻率，管壁必須較薄，而較薄的管壁會使耐磨性和抗腐蝕性變差。彎管型的振動系統(tǒng)剛度較低，電信號容易處理，可選用較厚的測量管壁，其耐磨性和抗腐蝕性較好，但由于形狀復(fù)雜，容易積存殘渣和氣體，引起誤差，結(jié)構(gòu)尺寸也較大。
從式(4)中還可以看出，質(zhì)量流量并不受壓力的影響，只同測量管的幾何形狀和測量系統(tǒng)的振蕩特性有關(guān)。但實(shí)際上，工作壓力的變化會引起測量管幾何尺寸的改變并對測量系統(tǒng)的振蕩特性產(chǎn)生影響，從而引起測量誤差。為了實(shí)際證明這一點(diǎn)，我們采用實(shí)驗(yàn)的方法分析工作壓力的變化對流量計測量精度的影響。
二、 工作壓力對流量計測量精度的影響
利用可調(diào)節(jié)工作壓力的靜態(tài)稱量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置在不同壓力下對同一臺流量計進(jìn)行測試，從而得到壓力對流量計精度的影響值。實(shí)驗(yàn)選用國內(nèi)應(yīng)用較廣的一型彎管型和一型直管型流量計作為被測對象，所用的標(biāo)準(zhǔn)裝置是通過標(biāo)定的系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)步驟依照J(rèn)JG897-95《質(zhì)量流量計檢定規(guī)程》進(jìn)行，并參考了ISO 10790的有關(guān)要求。
1.實(shí)驗(yàn)方法 按照正常的檢定操作安裝好流量計，設(shè)定好檢定壓力，在進(jìn)行完系統(tǒng)預(yù)熱，調(diào)整流量計的零點(diǎn)后。進(jìn)行檢定操作，完成一次檢定過程后，重新設(shè)定檢定壓力，在新的檢定壓力下再次進(jìn)行檢定操作，直到完成全部實(shí)驗(yàn)壓力點(diǎn)的測試。在全部實(shí)驗(yàn)過程中，不對流量計的設(shè)置做改動。
2.彎管型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1為對一臺DS300流量計在不同檢定壓力下的測試數(shù)據(jù)
表1 DS300型流量計在不同檢定壓力下的測試數(shù)據(jù)表
流量
(t/h) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) |
120 | - | - | 0.32 | 0.14 | 0.42 | -0.01 | - | - |
100 | - | - | 0.36 | -0.01 | 0.47 | -0.20 | - | - |
90 | 0.17 | 0.24 | - | - | - | - | - | - |
50 | 0.17 | 0.09 | 0.36 | -0.13 | 0.43 | -0.22 | 0.55 | -0.38 |
20 | 0.17 | 0.02 | - | - | 0.43 | -0.29 | 0.55 | -0.48 |
90 | 0.17 | 0.20 | - | - | - | - | - | - |
100 | - | - | - | - | - | - | - | - |
依照流量值對表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計算在各流量點(diǎn)下的流量計的誤差變化得到表2-5。
表2 當(dāng)流量為20t/h不同工作壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.17 | - | 0.02 | - | - |
0.43 | 0.26 | -0.29 | -0.31 | -0.12 |
0.55 | 0.12 | -0.48 | -0.19 | -0.16 |
表3 當(dāng)流量為50t/h在不同工作壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.17 | - | 0.09 | - | - |
0.36 | 0.19 | -0.13 | -0.22 | -0.12 |
0.43 | 0.07 | -0.22 | -0.09 | -0.13 |
0.55 | 0.12 | -0.38 | -0.16 | -0.13 |
表4 當(dāng)流量為100t/h在不同壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.32 | - | 0.14 | - | - |
0.42 | 0.1 | -0.01 | -0.15 | -0.15 |
表5 當(dāng)流量為120t/h在不同壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.36 | - | -0.01 | - | - |
0.47 | 0.11 | -0.2 | -0.19 | -0.17 |
3.直管型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表6為一臺63FS80流量計在不同檢定壓力下的測試數(shù)據(jù)
同樣依照流量值對表6的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計算在各流量點(diǎn)下的流量計的誤差變化得到表7-9。
表6 63FS80型流量計在不同檢定壓力下的測試數(shù)據(jù)表
流量
(t/h) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) | 壓力
(Mpa) | 相對誤差
(%) |
20 | 0.14 | +1.03 | 0.178 | 0.06 | 0.288 | 0.89 | 0.556 | -0.2 |
50 | 0.14 | +0.06 | 0.178 | 0.51 | 0.288 | 0.74 | 0.500 | +0.31 |
82 | 0.145 | -0.06 | - | - | - | - | - | - |
100 | - | - | 0.178 | 0.48 | 0.288 | 0.17 | 0.500 | +0.95 |
表7 當(dāng)流量為20t/h在不同壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.14 | - | 1.03 | - | - |
0.178 | 0.038 | 0.06 | -0.97 | -2.55 |
0.288 | 0.11 | 0.89 | 0.83 | 0.75 |
0.556 | 0.268 | -0.2 | -1.09 | -0.41 |
表8 當(dāng)流量為50t/h在不同壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.14 | - | 0.06 | - | - |
0.178 | 0.038 | 0.51 | 0.45 | 1.18 |
0.288 | 0.11 | 0.74 | 0.23 | 0.21 |
0.5 | 0.212 | 0.31 | -0.43 | -0.20 |
表9 當(dāng)流量為100t/h在不同壓力狀態(tài)下的誤差情況表
壓力Mpa | 壓力變化值Mpa | 誤差% | 誤差變化% | 每變化0.1Mpa引起的誤差變化% |
0.178 | - | 0.48 | - | - |
0.288 | 0.11 | 0.17 | -0.31 | -0.28 |
0.5 | 0.212 | 0.95 | 0.78 | 0.37 |
從表2-5中可以發(fā)現(xiàn)流量計的實(shí)際工作壓力每升高0.1Mpa流量計會產(chǎn)生-0.12～-0.17%的附加誤差。即當(dāng)工作壓力高于檢定壓力時，每高出0.1Mpa流量計會產(chǎn)生約為-0.15%的附加誤差，而當(dāng)工作壓力低于檢定壓力時。每低0.1Mpa流量計會產(chǎn)生約為+0.15%的附加誤差。此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)同該儀表的制造商公布的數(shù)據(jù)(-0.13%/0.1Mpa)基本一致。
三、 解決壓力影響的方法
應(yīng)該指出的是，我們此次實(shí)驗(yàn)選用的流量計，是受壓力影響較大型號的流量計，對其它型號的，特別是DN50口徑以下的流量計受壓力影響較小。為了避免實(shí)際應(yīng)用中壓力變化對流量計測量精度的影響，可以采取以下方法：
1.在選型時盡量選用受壓力變化影響小的質(zhì)量流量計；
2.對流量計進(jìn)行在線檢定；在不具備在線檢定條件時，也應(yīng)使流量計在工作壓力下進(jìn)行離線檢定；
3.對一些受壓力影響所產(chǎn)生附加誤差的變化較穩(wěn)定的流量計，可采用安裝壓力變送器的方法以軟件的方式實(shí)現(xiàn)進(jìn)行實(shí)時的壓力補(bǔ)償計算。
