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摘 要：科氏力質(zhì)量流量計(jì)由于有著能直接測(cè)量質(zhì)量流量的優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)從90年代初進(jìn)入工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域以來，應(yīng)用越來越廣泛。早期的質(zhì)量流量計(jì)生產(chǎn)廠家都宣稱其產(chǎn)品不受被測(cè)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(cè)量介質(zhì)的物理參量的變化對(duì)其測(cè)量精度是有影響的。本文主要討論被測(cè)介質(zhì)壓力的變化對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響。
關(guān)鍵詞：科氏力，質(zhì)量流量計(jì)，測(cè)量精度，測(cè)量介質(zhì)，工作壓力，誤差
一、 科氏力質(zhì)量流量計(jì)的工作原理
科氏力質(zhì)量流量計(jì)是運(yùn)用流體質(zhì)量流量對(duì)振動(dòng)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(cè)量為目的的質(zhì)量流量計(jì)。一般由傳感器和變送器組成。
圖一
圖二
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(dòng)，同時(shí)，管道AB又以A點(diǎn)為圓心以角速度Ω轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)該質(zhì)點(diǎn)做上述復(fù)合運(yùn)動(dòng)時(shí)，在任意一點(diǎn)M處，質(zhì)點(diǎn)具有兩個(gè)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(gè)大小等于2ΩVδm的力，這個(gè)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(dòng)，設(shè)管道橫截面積為S，則任一段長(zhǎng)度為△X管道上的科氏力△Fc為：
Fc= -△mak (2)
式中△m為長(zhǎng)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(cè)量在旋轉(zhuǎn)管道中流體的科氏力就可以直接測(cè)得質(zhì)量流量。在實(shí)際應(yīng)用中使測(cè)量管道做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，用振動(dòng)的方式代替旋轉(zhuǎn)的方式，利用電磁或光電的檢測(cè)器檢測(cè)科氏力對(duì)振動(dòng)的影響從而測(cè)得管道中的質(zhì)量流量。
按照傳感器測(cè)量管的形狀，質(zhì)量流量計(jì)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(dòng)系統(tǒng)剛度大，諧振頻率高，相位差小，電信號(hào)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(huì)使耐磨性和抗腐蝕性變差。彎管型的振動(dòng)系統(tǒng)剛度較低，電信號(hào)容易處理，可選用較厚的測(cè)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?jiān)蜌怏w，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(cè)量管的幾何形狀和測(cè)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(huì)引起測(cè)量管幾何尺寸的改變并對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的振蕩特性產(chǎn)生影響，從而引起測(cè)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(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響。
二、 工作壓力對(duì)流量計(jì)測(cè)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(duì)同一臺(tái)流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，從而得到壓力對(duì)流量計(jì)精度的影響值。實(shí)驗(yàn)選用國(guó)內(nèi)應(yīng)用較廣的一型彎管型和一型直管型流量計(jì)作為被測(cè)對(duì)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(jì)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(jì)，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(jì)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(cè)試。在全部實(shí)驗(yàn)過程中，不對(duì)流量計(jì)的設(shè)置做改動(dòng)。
2.彎管型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
表1為對(duì)一臺(tái)DS300流量計(jì)在不同檢定壓力下的測(cè)試數(shù)據(jù)
依照流量值對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算在各流量點(diǎn)下的流量計(jì)的誤差變化得到表2-5。
表1 DS300型流量計(jì)在不同檢定壓力下的測(cè)試數(shù)據(jù)表
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流量
(t/h) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
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120 |
|
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0.32 |
0.14 |
0.42 |
-0.01 |
|
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100 |
|
|
0.36 |
-0.01 |
0.47 |
-0.20 |
|
|
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90 |
0.17 |
0.24 |
|
|
|
|
|
|
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50 |
0.17 |
0.09 |
0.36 |
-0.13 |
0.43 |
-0.22 |
0.55 |
-0.38 |
|
20 |
0.17 |
0.02 |
|
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0.43 |
-0.29 |
0.55 |
-0.48 |
|
90 |
0.17 |
0.20 |
|
|
|
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|
|
100 |
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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
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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
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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 |
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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
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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% |
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0.32 |
|
0.14 |
|
|
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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
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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 |
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-0.01 |
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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(tái)63FS80流量計(jì)在不同檢定壓力下的測(cè)試數(shù)據(jù)
同樣依照流量值對(duì)表6的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別計(jì)算在各流量點(diǎn)下的流量計(jì)的誤差變化得到表7-9。
從表2-5中可以發(fā)現(xiàn)流量計(jì)的實(shí)際工作壓力每升高0.1Mpa流量計(jì)會(huì)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(shí)，每高出0.1Mpa流量計(jì)會(huì)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(shí)。每低0.1Mpa流量計(jì)會(huì)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。
表6 63FS80型流量計(jì)在不同檢定壓力下的測(cè)試數(shù)據(jù)表
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流量
(t/h) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對(duì)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
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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% |
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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
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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
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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7～9可以發(fā)現(xiàn)，流量計(jì)實(shí)際工作壓力的變化會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，其變化值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于流量計(jì)的標(biāo)稱精度，并且這種變化沒有規(guī)律。工作壓力每變化0.1Mpa流量計(jì)會(huì)產(chǎn)生-2.55～+1.18%的附加誤差。因此這種型號(hào)的流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中是不能接受的。
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(jì)，是受壓力影響較大型號(hào)的流量計(jì)，對(duì)其它型號(hào)的，特別是DN50口徑以下的流量計(jì)受壓力影響較小。為了避免實(shí)際應(yīng)用中壓力變化對(duì)流量計(jì)測(cè)量精度的影響，可以采取以下方法：
1.在選型時(shí)盡量選用受壓力變化影響小的質(zhì)量流量計(jì)；
2.對(duì)流量計(jì)進(jìn)行在線檢定；在不具備在線檢定條件時(shí)，也應(yīng)使流量計(jì)在工作壓力下進(jìn)行離線檢定；
3.對(duì)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(jì)，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(shí)的壓力補(bǔ)償計(jì)算。
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