壓力及流量波動對科氏流量計精度的影響

李睿娣 牛晉元 蘇剛琴

(太原太航科技有限公司，山西 太原 030006)

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壓力及流量波動對科氏流量計精度的影響

李睿娣 牛晉元 蘇剛琴

(太原太航科技有限公司，山西 太原 030006)

對科氏流量計的計量精度與壓力及流量波動的關系進行了研究。將艾默生CMF200/2700流量計安裝在流量檢定裝置上進行壓力及流量波動試驗，得到試驗結果。采用國產(chǎn)某型號變送器代替艾默生2700變送器，進行了類似試驗。試驗結果表明，艾默生CMF200/2700流量計在試驗過程中檢測電壓始終不變，計量誤差幾乎不受壓力及流量波動的影響；而CMF200搭配國產(chǎn)某型號變送器的誤差則受影響較大。通過分析檢測電壓與誤差的關系，提出了該國產(chǎn)變送器的改進方向。

壓力 變送器 流量計 精度 電壓 振幅

0 引言

1977年，美國Micro-Motion公司首先推出科氏流量計。該流量計由于能夠直接測量流體的質量，流道內無障礙物，且具備測量范圍大、精度高等優(yōu)點而被廣泛使用[1]。

通過更多的研究和應用發(fā)現(xiàn)：在傳感器工作過程中，測量管的振動能量很容易地通過其邊界結構傳遞到傳感器外殼或管路，引起傳感器振動狀態(tài)的不穩(wěn)定[2]；介質的壓力、溫度變化較大時會影響計量精度[3]；當介質工作壓力高于儀表的校準壓力時，會造成直管質量流量計測量誤差偏大[4]；當操作壓力與檢定壓力相差較大時，會影響測量管繃緊程度和布登效應的程度,引起傳感器流量和密度測量的靈敏度的改變[5]；在兩相流測量中，測量管固有頻率及阻尼比都會隨兩種介質比例的變化而變化，使傳感器振動不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)停振而無法測量[6-8]；現(xiàn)場應用中的工藝條件往往不及檢定裝置的檢定條件，流量及壓力波動的情況時常出現(xiàn)，研究壓力及流量波動對計量精度的影響，對于要求高精度使用的場合，如貿(mào)易交接，具有十分重要的意義。

1 國產(chǎn)流量計檢定結果

在0.05級的靜態(tài)質量法水流量檢定裝置上，對國產(chǎn)LZLG3000傳感器與國產(chǎn)某型號變送器(以下簡稱國產(chǎn)變送器)進行檢定，結果見表1(壓力波動與流量波動值均按樣本的標準方差公式計算)。流量最大波動為1.68%，壓力最大波動為1.09%，精度達0.1級。流量檢測段內檢測電壓變化為9 mV,每一流量點電壓變化小于1 mV。

表1 國產(chǎn)流量計檢定結果

2 壓力及流量波動試驗

2.1 CMF200/2700試驗

在同一檢定裝置上對艾默生公司制造的0.1級的科氏流量計(即傳感器CMF200與配套變送器2700)進行壓力及流量波動檢定試驗。試驗2次且2次試驗的儀表系數(shù)均保持表內原設定系數(shù)不變。試驗結果如表2所示。

表2 CMF200/2700壓力及流量波動試驗

由表2可知，2次試驗的精度均達到0.1級，壓力波動大的流量點重復性稍差，最大的重復性誤差也只超差了0.005%。測量精度幾乎不受壓力波動及流量波動的影響。

2.2 CMF200配國產(chǎn)變送器試驗

在同一檢定裝置上，使用同一臺傳感器CMF200，將原2700變送器更換成上述國產(chǎn)變送器進行2次壓力及流量波動試驗，2次試驗的儀表系數(shù)相同。試驗結果如表3所示。

表3 CMF200配國產(chǎn)變送器壓力及流量波動試驗

在CMF200傳感器配國產(chǎn)變送器的試驗中，最大壓力波動為12.62%，最大流量波動為10.2%，精度降低為0.2級，重復性誤差為0.197%，超差為0.097%；而配艾默生2700變送器試驗的最大壓力波動為25.31%，最大流量波動為11.81%，計量精度仍能達到0.1級，重復性誤差為0.055%，僅超差0.005%。試驗結果表明，原配CMF200/2700流量計幾乎不受壓力波動及流量波動的影響，而CMF200傳感器配國產(chǎn)變送器則受壓力波動及流量波動的影響顯著。由此可見，如變送器不能很好地處理壓力及流量波動帶來的影響，將會造成誤差的增大。

2.3 CMF200配不同變送器的電壓參數(shù)

在每個流量點，傳感器CMF200分別與2700變送器或國產(chǎn)變送器連接，測量其驅動電壓及進出口檢測電壓，結果如表4所示。

表4 CMF200配不同變送器的驅動及檢測電壓

表4中，艾默生變送器在不同流量點下，進出口兩路檢測電壓UA、UB始終保持90 mV、92 mV不變,而國產(chǎn)變送器進出口兩路檢測電壓UA、UB對應的最大流量點與50%流量點的電壓差值最大，分別為9 mV、10 mV；不同流量點下二者的差值不同，變化范圍約為2～4 mV；同一流量點下檢測電壓隨流量波動而變化，流量波動較大時，幅值波動約為1～3 mV。

3 壓力和流量波動的影響機理

科氏流量計是一種利用流體在振動的測量管中流動時產(chǎn)生與質量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質量流量的儀表。傳感器測量管在電磁驅動力的作用下，以某一固有頻率、在某個振幅下穩(wěn)定振動(又稱主振動)。當有流體流過時，由于測量管進出口段的流速方向不同，進口段與出口段的流體所受科氏力大小相等、方向相反，形成一對力矩，迫使測量管在與原振動垂直的方向發(fā)生扭轉振動(又稱副振動)。副振動疊加在主振動上，其振動頻率與主振動的頻率ω相同，測量管以頻率ω作復合振動。流量標定方程[9]為：

(1)

式中:ω為傳感器的主振動固有頻率;ωθ為副振動固有頻率;K為由測量管幾何尺寸確定的量；G為測量管材料的剪切彈性模量；(φ1+φ2)為出、進口兩側檢測電壓的相位差。

當壓力變化較大時，科氏流量計測量管的幾何尺寸發(fā)生細微變化，同時還有Bourdoneffect發(fā)生，使測量管系統(tǒng)的阻尼增大、振動穩(wěn)定性降低。這將引起系統(tǒng)幅頻特性變化，即引起系統(tǒng)的振動頻率和幅值比的波動，最終導致計量誤差增大。在CMF200配國產(chǎn)變送器的試驗中，壓力最大為439kPa，最小為192kPa。當壓力波動最大為12.62%時，對應的波動幅度只有25kPa，而CMF200的公稱壓力為4 000kPa，因此壓力波動對精度的影響可忽略不計。

圖1為主、副振動的位移矢量合成圖[9]，Z0是科氏流量計的出口側與進口側的檢測點A、B處主振動的位移幅值,Z1、Z2分別是A、B點處副振動的位移幅值，ZA、ZB分別為A、B處的合成位移幅值。由于壓力波動而引起的流量波動直接反映了相位差的波動，由式(1)可知，相位差測不準必然導致科氏流量計的計量誤差增大，而相位差(φ1+φ2)正是圖1中ZA、ZB的相位差。根據(jù)電磁感應原理，ZA、ZB正比于檢測電壓UA、UB，因此測量過程中當流量波動較大時，振動幅值波動較大將導致測量誤差增大。這與上述試驗結果一致。

圖1 主、副振動位移矢量合成圖

4 結束語

試驗與理論分析表明，即使是單向連續(xù)滿管流體，當流量波動較大較頻時，若不能保持傳感器振幅不變，其計量精度就會隨流量波動而降低。兩相流研究中出現(xiàn)的振動不穩(wěn)定或停振實際上是流量波動的特例。

試驗用變送器的驅動電路是模擬電路。在兩相流情形下，科氏流量計輸出信號的波動既是由氣液兩相流動的不穩(wěn)定性造成的，也是由單相流信號處理算法處理兩相流測量數(shù)據(jù)造成的，智能算法無法從根本上解決該問題[10]。牛津大學已研制了包含全數(shù)字驅動電路的數(shù)字變送器，通過對振動幅值的精確控制及對振動頻率的高速追蹤，證明其解決了兩相流和批料流中計量誤差大的問題[11]，這也正是試驗中所用變送器的改進方向。

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Influences of Pressure and Flow Fluctuation on Accuracy of Coriolis Mass Flowmeters

The relationships between the measurement accuracy of the Coriolis flowmeter and the fluctuations of pressure and flow are studied.And the flowmeter CMF200/2700 from Emerson is installed on the flow calibration device for carrying out tests of pressure and flow fluctuations, the test results are gained. Similar tests are done by using domestic model transmitter instead of Emerson 2700 transmitter. The results show that voltage detected by the Emerson CMF200 / 2700 flowmeter is always the same during the test, measurement error is almost unaffected by pressure and flow fluctuations, while the errors of using CMF200 and a domestic model transmitter are influenced greatly. By analyzing the relationship between the detection voltage and error, the improvement direction of this domestic transmitter is proposed.

Pressure Transmitter Flowmeter Accuracy Voltage Amplitude

李睿娣(1965—)，女，1992年畢業(yè)于太原理工大學固體力學專業(yè)，獲碩士學位，高級工程師；主要從事流量測量技術的研究。

TH814;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608024

修改稿收到日期：2016-01-11。