工作压力对科氏力质量流量计的影响
天津石化公司计量处 范立勇
摘 要：科氏力质量流量计由于有着能直接测量质量流量的优点，在我国从90年代初进入工业测量领域以来，应用越来越广泛。早期的质量流量计生产厂家都宣称其产品不受被测介质的密度、温度、压力、粘度等变化的影响，随着近几年的大量应用，发现测量介质的物理参量的变化对其测量精度是有影响的。本文主要讨论被测介质压力的变化对流量计测量精度的影响。
关键词：科氏力，质量流量计，测量精度，测量介质，工作压力，误差
一、 科氏力质量流量计的工作原理
科氏力质量流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用即科里奥利力现象为原理，以质量流量测量为目的的质量流量计。一般由传感器和变送器组成。
关键词：科氏力，质量流量计，测量精度，测量介质，工作压力，误差
一、 科氏力质量流量计的工作原理
科氏力质量流量计是运用流体质量流量对振动管振荡的调制作用即科里奥利力现象为原理，以质量流量测量为目的的质量流量计。一般由传感器和变送器组成。
图一
图二
如图一所示。当质量为δm的流体质点，以速度V沿管道AB运动，同时，管道AB又以A点为圆心以角速度Ω转动，当该质点做上述复合运动时，在任意一点M处，质点具有两个加速度分量：向心加速度ar, 方向指向A点；科氏加速度ak,方向向上，量值为2ΩV。为使流体质点具有科氏加速度，需要在ak 方向施加一个大小等于2ΩVδm的力，这个力来自管道，而流体质点反作用于管道上的力就是科氏力Fc，方向如图所示。
Fc=2ΩVδm (1)
如图二所示，若流体密度为ρ，以速度V沿管道AB流动，设管道横截面积为S，则任一段长度为△X管道上的科氏力△Fc为：
Fc= -△mak (2)
式中△m为长度△X管道中的流体质量。△m=ρS△X
△Fc=-2ρS△X(Ω×V) (3)
由于上述管道中的流体，其Ω与V的夹角为90oC，质量流量qm=ρSV,
有： qm=△Fc/2Ω△X (4)
从式(4)中可以看出，测量在旋转管道中流体的科氏力就可以直接测得质量流量。在实际应用中使测量管道做简谐振动，用振动的方式代替旋转的方式，利用电磁或光电的检测器检测科氏力对振动的影响从而测得管道中的质量流量。
按照传感器测量管的形状，质量流量计分为直管型和弯管型两大类。直管型一般尺寸较小，不易积气，易于清洗，但由于其振动系统刚度大，谐振频率高，相位差小，电信号处理较困难。为了降低谐振频率，管壁必须较薄，而较薄的管壁会使耐磨性和抗腐蚀性变差。弯管型的振动系统刚度较低，电信号容易处理，可选用较厚的测量管壁，其耐磨性和抗腐蚀性较好，但由于形状复杂，容易积存残渣和气体，引起误差，结构尺寸也较大。
从式(4)中还可以看出，质量流量并不受压力的影响，只同测量管的几何形状和测量系统的振荡特性有关。但实际上，工作压力的变化会引起测量管几何尺寸的改变并对测量系统的振荡特性产生影响，从而引起测量误差。为了实际证明这一点，我们采用实验的方法分析工作压力的变化对流量计测量精度的影响。
二、 工作压力对流量计测量精度的影响
利用可调节工作压力的静态称量法水流量标准装置在不同压力下对同一台流量计进行测试，从而得到压力对流量计精度的影响值。实验选用国内应用较广的一型弯管型和一型直管型流量计作为被测对象，所用的标准装置是通过标定的系统，实验步骤依照JJG897-95《质量流量计检定规程》进行，并参考了ISO 10790的有关要求。
1.实验方法 按照正常的检定操作安装好流量计，设定好检定压力，在进行完系统预热，调整流量计的零点后。进行检定操作，完成一次检定过程后，重新设定检定压力，在新的检定压力下再次进行检定操作，直到完成全部实验压力点的测试。在全部实验过程中，不对流量计的设置做改动。
2.弯管型实验数据
表1为对一台DS300流量计在不同检定压力下的测试数据
依照流量值对表1的数据进行分析，分别计算在各流量点下的流量计的误差变化得到表2-5。
表1 DS300型流量计在不同检定压力下的测试数据表
Fc=2ΩVδm (1)
如图二所示，若流体密度为ρ，以速度V沿管道AB流动，设管道横截面积为S，则任一段长度为△X管道上的科氏力△Fc为：
Fc= -△mak (2)
式中△m为长度△X管道中的流体质量。△m=ρS△X
△Fc=-2ρS△X(Ω×V) (3)
由于上述管道中的流体，其Ω与V的夹角为90oC，质量流量qm=ρSV,
有： qm=△Fc/2Ω△X (4)
从式(4)中可以看出，测量在旋转管道中流体的科氏力就可以直接测得质量流量。在实际应用中使测量管道做简谐振动，用振动的方式代替旋转的方式，利用电磁或光电的检测器检测科氏力对振动的影响从而测得管道中的质量流量。
按照传感器测量管的形状，质量流量计分为直管型和弯管型两大类。直管型一般尺寸较小，不易积气，易于清洗，但由于其振动系统刚度大，谐振频率高，相位差小，电信号处理较困难。为了降低谐振频率，管壁必须较薄，而较薄的管壁会使耐磨性和抗腐蚀性变差。弯管型的振动系统刚度较低，电信号容易处理，可选用较厚的测量管壁，其耐磨性和抗腐蚀性较好，但由于形状复杂，容易积存残渣和气体，引起误差，结构尺寸也较大。
从式(4)中还可以看出，质量流量并不受压力的影响，只同测量管的几何形状和测量系统的振荡特性有关。但实际上，工作压力的变化会引起测量管几何尺寸的改变并对测量系统的振荡特性产生影响，从而引起测量误差。为了实际证明这一点，我们采用实验的方法分析工作压力的变化对流量计测量精度的影响。
二、 工作压力对流量计测量精度的影响
利用可调节工作压力的静态称量法水流量标准装置在不同压力下对同一台流量计进行测试，从而得到压力对流量计精度的影响值。实验选用国内应用较广的一型弯管型和一型直管型流量计作为被测对象，所用的标准装置是通过标定的系统，实验步骤依照JJG897-95《质量流量计检定规程》进行，并参考了ISO 10790的有关要求。
1.实验方法 按照正常的检定操作安装好流量计，设定好检定压力，在进行完系统预热，调整流量计的零点后。进行检定操作，完成一次检定过程后，重新设定检定压力，在新的检定压力下再次进行检定操作，直到完成全部实验压力点的测试。在全部实验过程中，不对流量计的设置做改动。
2.弯管型实验数据
表1为对一台DS300流量计在不同检定压力下的测试数据
依照流量值对表1的数据进行分析，分别计算在各流量点下的流量计的误差变化得到表2-5。
表1 DS300型流量计在不同检定压力下的测试数据表
|
流量
(t/h) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
|
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
|
|
|
|
|
|
|
|
|
表2 当流量为20t/h不同工作压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
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 当流量为50t/h在不同工作压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
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 当流量为100t/h在不同压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
0.32
|
|
0.14
|
|
|
|
0.42
|
0.1
|
-0.01
|
-0.15
|
-0.15
|
表5 当流量为120t/h在不同压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
0.36
|
|
-0.01
|
|
|
|
0.47
|
0.11
|
-0.2
|
-0.19
|
-0.17
|
3.直管型实验数据
表6为一台63FS80流量计在不同检定压力下的测试数据
同样依照流量值对表6的数据进行分析，分别计算在各流量点下的流量计的误差变化得到表7-9。
从表2-5中可以发现流量计的实际工作压力每升高0.1Mpa流量计会产生-0.12～-0.17%的附加误差。即当工作压力高于检定压力时，每高出0.1Mpa流量计会产生约为-0.15%的附加误差，而当工作压力低于检定压力时。每低0.1Mpa流量计会产生约为+0.15%的附加误差。此实验数据同该仪表的制造商公布的数据(-0.13%/0.1Mpa)基本一致。
表6为一台63FS80流量计在不同检定压力下的测试数据
同样依照流量值对表6的数据进行分析，分别计算在各流量点下的流量计的误差变化得到表7-9。
从表2-5中可以发现流量计的实际工作压力每升高0.1Mpa流量计会产生-0.12～-0.17%的附加误差。即当工作压力高于检定压力时，每高出0.1Mpa流量计会产生约为-0.15%的附加误差，而当工作压力低于检定压力时。每低0.1Mpa流量计会产生约为+0.15%的附加误差。此实验数据同该仪表的制造商公布的数据(-0.13%/0.1Mpa)基本一致。
表6 63FS80型流量计在不同检定压力下的测试数据表
|
流量
(t/h) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
压力
(Mpa) |
相对误差
(%) |
|
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 当流量为20t/h在不同压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
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 当流量为50t/h在不同压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
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 当流量为100t/h在不同压力状态下的误差情况表
|
压力Mpa
|
压力变化值Mpa
|
误差%
|
误差变化%
|
每变化0.1Mpa引起的误差变化%
|
|
0.178
|
|
0.48
|
|
|
|
0.288
|
0.11
|
0.17
|
-0.31
|
-0.28
|
|
0.5
|
0.212
|
0.95
|
0.78
|
0.37
|
从表7～9可以发现，流量计实际工作压力的变化会产生较大的误差，其变化值远远高于流量计的标称精度，并且这种变化没有规律。工作压力每变化0.1Mpa流量计会产生-2.55～+1.18%的附加误差。因此这种型号的流量计在实际应用中是不能接受的。
三、 解决压力影响的方法
应该指出的是，我们此次实验选用的流量计，是受压力影响较大型号的流量计，对其它型号的，特别是DN50口径以下的流量计受压力影响较小。为了避免实际应用中压力变化对流量计测量精度的影响，可以采取以下方法：
1.在选型时尽量选用受压力变化影响小的质量流量计；
2.对流量计进行在线检定；在不具备在线检定条件时，也应使流量计在工作压力下进行离线检定；
3.对一些受压力影响所产生附加误差的变化较稳定的流量计，可采用安装压力变送器的方法以软件的方式实现进行实时的压力补偿计算。
三、 解决压力影响的方法
应该指出的是，我们此次实验选用的流量计，是受压力影响较大型号的流量计，对其它型号的，特别是DN50口径以下的流量计受压力影响较小。为了避免实际应用中压力变化对流量计测量精度的影响，可以采取以下方法：
1.在选型时尽量选用受压力变化影响小的质量流量计；
2.对流量计进行在线检定；在不具备在线检定条件时，也应使流量计在工作压力下进行离线检定；
3.对一些受压力影响所产生附加误差的变化较稳定的流量计，可采用安装压力变送器的方法以软件的方式实现进行实时的压力补偿计算。