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(dòng)對(duì)科氏流量計(jì)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(duì)科氏流量計(jì)的計(jì)量精度與壓力及流量波動(dòng)的關(guān)系進(jìn)行了研究。將艾默生CMF200/2700流量計(jì)安裝在流量檢定裝置上進(jìn)行壓力及流量波動(dòng)試驗(yàn)，得到試驗(yàn)結(jié)果。采用國(guó)產(chǎn)某型號(hào)變送器代替艾默生2700變送器，進(jìn)行了類似試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，艾默生CMF200/2700流量計(jì)在試驗(yàn)過(guò)程中檢測(cè)電壓始終不變，計(jì)量誤差幾乎不受壓力及流量波動(dòng)的影響；而CMF200搭配國(guó)產(chǎn)某型號(hào)變送器的誤差則受影響較大。通過(guò)分析檢測(cè)電壓與誤差的關(guān)系，提出了該國(guó)產(chǎn)變送器的改進(jìn)方向。

壓力 變送器 流量計(jì) 精度 電壓 振幅

0 引言

1977年，美國(guó)Micro-Motion公司首先推出科氏流量計(jì)。該流量計(jì)由于能夠直接測(cè)量流體的質(zhì)量，流道內(nèi)無(wú)障礙物，且具備測(cè)量范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用[1]。

通過(guò)更多的研究和應(yīng)用發(fā)現(xiàn)：在傳感器工作過(guò)程中，測(cè)量管的振動(dòng)能量很容易地通過(guò)其邊界結(jié)構(gòu)傳遞到傳感器外殼或管路，引起傳感器振動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定[2]；介質(zhì)的壓力、溫度變化較大時(shí)會(huì)影響計(jì)量精度[3]；當(dāng)介質(zhì)工作壓力高于儀表的校準(zhǔn)壓力時(shí)，會(huì)造成直管質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量誤差偏大[4]；當(dāng)操作壓力與檢定壓力相差較大時(shí)，會(huì)影響測(cè)量管繃緊程度和布登效應(yīng)的程度,引起傳感器流量和密度測(cè)量的靈敏度的改變[5]；在兩相流測(cè)量中，測(cè)量管固有頻率及阻尼比都會(huì)隨兩種介質(zhì)比例的變化而變化，使傳感器振動(dòng)不穩(wěn)定甚至出現(xiàn)停振而無(wú)法測(cè)量[6-8]；現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)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(dòng)的情況時(shí)常出現(xiàn)，研究壓力及流量波動(dòng)對(duì)計(jì)量精度的影響，對(duì)于要求高精度使用的場(chǎng)合，如貿(mào)易交接，具有十分重要的意義。

1 國(guó)產(chǎn)流量計(jì)檢定結(jié)果

在0.05級(jí)的靜態(tài)質(zhì)量法水流量檢定裝置上，對(duì)國(guó)產(chǎn)LZLG3000傳感器與國(guó)產(chǎn)某型號(hào)變送器(以下簡(jiǎn)稱國(guó)產(chǎn)變送器)進(jìn)行檢定，結(jié)果見(jiàn)表1(壓力波動(dòng)與流量波動(dòng)值均按樣本的標(biāo)準(zhǔn)方差公式計(jì)算)。流量最大波動(dòng)為1.68%，壓力最大波動(dòng)為1.09%，精度達(dá)0.1級(jí)。流量檢測(cè)段內(nèi)檢測(cè)電壓變化為9 mV,每一流量點(diǎn)電壓變化小于1 mV。

表1 國(guó)產(chǎn)流量計(jì)檢定結(jié)果

2 壓力及流量波動(dòng)試驗(yàn)

2.1 CMF200/2700試驗(yàn)

在同一檢定裝置上對(duì)艾默生公司制造的0.1級(jí)的科氏流量計(jì)(即傳感器CMF200與配套變送器2700)進(jìn)行壓力及流量波動(dòng)檢定試驗(yàn)。試驗(yàn)2次且2次試驗(yàn)的儀表系數(shù)均保持表內(nèi)原設(shè)定系數(shù)不變。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 CMF200/2700壓力及流量波動(dòng)試驗(yàn)

由表2可知，2次試驗(yàn)的精度均達(dá)到0.1級(jí)，壓力波動(dòng)大的流量點(diǎn)重復(fù)性稍差，最大的重復(fù)性誤差也只超差了0.005%。測(cè)量精度幾乎不受壓力波動(dòng)及流量波動(dòng)的影響。

2.2 CMF200配國(guó)產(chǎn)變送器試驗(yàn)

在同一檢定裝置上，使用同一臺(tái)傳感器CMF200，將原2700變送器更換成上述國(guó)產(chǎn)變送器進(jìn)行2次壓力及流量波動(dòng)試驗(yàn)，2次試驗(yàn)的儀表系數(shù)相同。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 CMF200配國(guó)產(chǎn)變送器壓力及流量波動(dòng)試驗(yàn)

在CMF200傳感器配國(guó)產(chǎn)變送器的試驗(yàn)中，最大壓力波動(dòng)為12.62%，最大流量波動(dòng)為10.2%，精度降低為0.2級(jí)，重復(fù)性誤差為0.197%，超差為0.097%；而配艾默生2700變送器試驗(yàn)的最大壓力波動(dòng)為25.31%，最大流量波動(dòng)為11.81%，計(jì)量精度仍能達(dá)到0.1級(jí)，重復(fù)性誤差為0.055%，僅超差0.005%。試驗(yàn)結(jié)果表明，原配CMF200/2700流量計(jì)幾乎不受壓力波動(dòng)及流量波動(dòng)的影響，而CMF200傳感器配國(guó)產(chǎn)變送器則受壓力波動(dòng)及流量波動(dòng)的影響顯著。由此可見(jiàn)，如變送器不能很好地處理壓力及流量波動(dòng)帶來(lái)的影響，將會(huì)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(gè)流量點(diǎn)，傳感器CMF200分別與2700變送器或國(guó)產(chǎn)變送器連接，測(cè)量其驅(qū)動(dòng)電壓及進(jìn)出口檢測(cè)電壓，結(jié)果如表4所示。

表4 CMF200配不同變送器的驅(qū)動(dòng)及檢測(cè)電壓

表4中，艾默生變送器在不同流量點(diǎn)下，進(jìn)出口兩路檢測(cè)電壓UA、UB始終保持90 mV、92 mV不變,而國(guó)產(chǎn)變送器進(jìn)出口兩路檢測(cè)電壓UA、UB對(duì)應(yīng)的最大流量點(diǎn)與50%流量點(diǎn)的電壓差值最大，分別為9 mV、10 mV；不同流量點(diǎn)下二者的差值不同，變化范圍約為2～4 mV；同一流量點(diǎn)下檢測(cè)電壓隨流量波動(dòng)而變化，流量波動(dòng)較大時(shí)，幅值波動(dòng)約為1～3 mV。

3 壓力和流量波動(dòng)的影響機(jī)理

科氏流量計(jì)是一種利用流體在振動(dòng)的測(cè)量管中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。傳感器測(cè)量管在電磁驅(qū)動(dòng)力的作用下，以某一固有頻率、在某個(gè)振幅下穩(wěn)定振動(dòng)(又稱主振動(dòng))。當(dāng)有流體流過(guò)時(shí)，由于測(cè)量管進(jìn)出口段的流速方向不同，進(jìn)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(duì)力矩，迫使測(cè)量管在與原振動(dòng)垂直的方向發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動(dòng)(又稱副振動(dòng))。副振動(dòng)疊加在主振動(dòng)上，其振動(dòng)頻率與主振動(dòng)的頻率ω相同，測(cè)量管以頻率ω作復(fù)合振動(dòng)。流量標(biāo)定方程[9]為：

(1)

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

當(dāng)壓力變化較大時(shí)，科氏流量計(jì)測(cè)量管的幾何尺寸發(fā)生細(xì)微變化，同時(shí)還有Bourdoneffect發(fā)生，使測(cè)量管系統(tǒng)的阻尼增大、振動(dòng)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(dòng)頻率和幅值比的波動(dòng)，最終導(dǎo)致計(jì)量誤差增大。在CMF200配國(guó)產(chǎn)變送器的試驗(yàn)中，壓力最大為439kPa，最小為192kPa。當(dāng)壓力波動(dòng)最大為12.62%時(shí)，對(duì)應(yīng)的波動(dòng)幅度只有25kPa，而CMF200的公稱壓力為4 000kPa，因此壓力波動(dòng)對(duì)精度的影響可忽略不計(jì)。

圖1為主、副振動(dòng)的位移矢量合成圖[9]，Z0是科氏流量計(jì)的出口側(cè)與進(jìn)口側(cè)的檢測(cè)點(diǎn)A、B處主振動(dòng)的位移幅值,Z1、Z2分別是A、B點(diǎn)處副振動(dòng)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(dòng)而引起的流量波動(dòng)直接反映了相位差的波動(dòng)，由式(1)可知，相位差測(cè)不準(zhǔn)必然導(dǎo)致科氏流量計(jì)的計(jì)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(yīng)原理，ZA、ZB正比于檢測(cè)電壓UA、UB，因此測(cè)量過(guò)程中當(dāng)流量波動(dòng)較大時(shí)，振動(dòng)幅值波動(dòng)較大將導(dǎo)致測(cè)量誤差增大。這與上述試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖1 主、副振動(dòng)位移矢量合成圖

4 結(jié)束語(yǔ)

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

試驗(yàn)用變送器的驅(qū)動(dòng)電路是模擬電路。在兩相流情形下，科氏流量計(jì)輸出信號(hào)的波動(dòng)既是由氣液兩相流動(dòng)的不穩(wěn)定性造成的，也是由單相流信號(hào)處理算法處理兩相流測(cè)量數(shù)據(jù)造成的，智能算法無(wú)法從根本上解決該問(wèn)題[10]。牛津大學(xué)已研制了包含全數(shù)字驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)字變送器，通過(guò)對(duì)振動(dòng)幅值的精確控制及對(duì)振動(dòng)頻率的高速追蹤，證明其解決了兩相流和批料流中計(jì)量誤差大的問(wèn)題[11]，這也正是試驗(yàn)中所用變送器的改進(jìn)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(xué)固體力學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事流量測(cè)量技術(shù)的研究。

TH814;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608024

修改稿收到日期：2016-01-11。