李睿娣,任東順,秘長(zhǎng)青

(太原太航流量工程有限公司，山西 太原 030006)

科氏流量計(jì)殘余應(yīng)力影響與處理

李睿娣,任東順,秘長(zhǎng)青

(太原太航流量工程有限公司，山西 太原 030006)

為提高科氏流量計(jì)的精度，對(duì)科氏流量計(jì)的精度與科氏傳感器的應(yīng)力進(jìn)行了研究。從科氏流量計(jì)的原理及結(jié)構(gòu)出發(fā)，分析了應(yīng)力與零點(diǎn)穩(wěn)定度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)各種不平衡的殘余應(yīng)力給科氏傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定性帶來了嚴(yán)重影響。采用熱時(shí)效、振動(dòng)時(shí)效兩種方法對(duì)兩臺(tái)標(biāo)定不合格的傳感器分別進(jìn)行處理，將兩臺(tái)流量計(jì)的精度均從1級(jí)提高到了0.1級(jí)。焊縫的應(yīng)力檢測(cè)及傳感器標(biāo)定結(jié)果表明，處理后的焊縫殘余應(yīng)力得到降低與均化，科氏傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定度及精度得到顯著提高。將該方法推廣到大量的科氏傳感器上，得到了非常好的應(yīng)用效果。該方法既提高了科氏流量計(jì)的精度，又縮短了生產(chǎn)交貨周期，大大提升了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質(zhì)量。該方法同樣適用于提升具有復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)的傳感器的穩(wěn)定度及精度。

科氏流量計(jì)； 零點(diǎn)穩(wěn)定度； 殘余應(yīng)力； 熱時(shí)效； 電磁干擾； 精度

0 引言

科氏流量計(jì)在石化行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，很多用戶針對(duì)科氏流量計(jì)在應(yīng)用過程中由于零點(diǎn)漂移造成的計(jì)量誤差，提出了一些糾正辦法，如通過在工況狀態(tài)下對(duì)科氏流量計(jì)進(jìn)行零校準(zhǔn)，來消除由于工況狀態(tài)的溫度、壓力、安裝等因素與檢定狀態(tài)不同所引起的零點(diǎn)不同而帶來的計(jì)量誤差。對(duì)于不同的工藝壓力與檢定壓力，則采用帶有壓力補(bǔ)償?shù)牧髁坑?jì)，通過輸入工藝壓力來修正計(jì)量誤差。選取合適的流量范圍，無應(yīng)力安裝，確保液體充滿流量計(jì)振管；設(shè)置足夠的背壓防止液體汽化；定期進(jìn)行零點(diǎn)檢查和調(diào)整；遠(yuǎn)離泵房及振動(dòng)源、加強(qiáng)工藝管道的固定與支撐，避免電磁干擾[1-6]等方式減小因零點(diǎn)不穩(wěn)定帶來的誤差。這些方法都使科氏流量計(jì)得到了廣泛的應(yīng)用。

也有從科氏傳感器本身考慮，優(yōu)化設(shè)計(jì)定距板、分流器、外殼，提高零點(diǎn)穩(wěn)定度，減小因零點(diǎn)造成的計(jì)量誤差[1]；從制造工藝、零點(diǎn)穩(wěn)定性角度分析了傳感器上非對(duì)稱布置的驅(qū)動(dòng)器、信號(hào)檢測(cè)器以及集中質(zhì)量對(duì)誤差的影響[7]；但是鮮有從制造角度研究各種殘余應(yīng)力對(duì)計(jì)量精度的影響。石化行業(yè)對(duì)用于貿(mào)易交接計(jì)量的高精度(0.1級(jí))科氏流量計(jì)的需求越來越多，因此提高科氏流量計(jì)自身的零點(diǎn)穩(wěn)定度及精度越來越重要。

1 科氏流量計(jì)工作原理及組成

科氏流量計(jì)是基于科里奧利原理的質(zhì)量流量測(cè)量?jī)x表，由傳感器和變送器兩部分組成。科氏流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與原理如圖1所示。

圖1 科氏流量計(jì)結(jié)構(gòu)圖與原理圖

傳感器主要由支架、振管、激振元件、檢測(cè)元件、鉑電阻組成。兩根振管在激振元件作用下繞X軸沿相反方向振動(dòng)，當(dāng)振管中有流體流過時(shí)，振管中進(jìn)、出口段的流體受到相反的科氏力的作用，科氏力反作用于振管，使振管發(fā)生繞Y軸的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。安裝在振管兩側(cè)的檢測(cè)元件檢測(cè)到相位不同的兩組信號(hào)，這兩組信號(hào)的時(shí)間差(或相位差)與流經(jīng)傳感器的流體的質(zhì)量流量成正比；振管繞X軸振動(dòng)的頻率隨流體密度的變化而變化，由此可計(jì)算出流體的質(zhì)量流量和密度。安裝在振管上的鉑電阻可間接測(cè)量流體的溫度，據(jù)此可對(duì)流體的流量和密度進(jìn)行修正。變送器由振管一側(cè)的信號(hào)檢測(cè)器、放大電路、電磁驅(qū)動(dòng)器等共同構(gòu)成一個(gè)正反饋回路，以維持傳感器系統(tǒng)的振動(dòng)。

2 應(yīng)力與零點(diǎn)穩(wěn)定度

科氏流量計(jì)的流量由傳感器進(jìn)出口段的檢測(cè)信號(hào)的時(shí)間差或相位差與零點(diǎn)的差值計(jì)算得到。在零流量時(shí)，對(duì)流量計(jì)作零校準(zhǔn)，得到流量計(jì)的零點(diǎn)；而在零校準(zhǔn)之后,盡管流量計(jì)內(nèi)介質(zhì)是靜止的,但零點(diǎn)仍在變化，流量計(jì)仍顯示瞬時(shí)質(zhì)量流量,且隨著時(shí)間和溫度的變化而波動(dòng)。波動(dòng)的幅度越小，說明流量計(jì)的零點(diǎn)越穩(wěn)定，零點(diǎn)波動(dòng)對(duì)流量計(jì)計(jì)量誤差的影響就越小，流量計(jì)的性能也越穩(wěn)定。通常用零點(diǎn)穩(wěn)定度反映零點(diǎn)波動(dòng)的幅度。

科氏流量計(jì)的零點(diǎn)由變送器和傳感器兩部分的零點(diǎn)組成。變送器的零點(diǎn)漂移主要是由于電子元件因溫度、時(shí)間變化產(chǎn)生漂移而造成的。傳感器因介質(zhì)溫度、壓力及密度變化和不良安裝引起的安裝狀態(tài)變化導(dǎo)致振管應(yīng)力變化，進(jìn)而產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。該漂移是構(gòu)成流量計(jì)零點(diǎn)漂移的主要成分。這些因使用過程中的外部因素導(dǎo)致的零點(diǎn)漂移，可以通過重新零校準(zhǔn)降至最低[8-9]，但前提是流量計(jì)在穩(wěn)定的性能參數(shù)、安裝及外部條件下，自身的零點(diǎn)穩(wěn)定度很高。

零點(diǎn)穩(wěn)定度是科氏流量計(jì)的一個(gè)非常重要的性能指標(biāo)。不同廠家的產(chǎn)品，其零點(diǎn)穩(wěn)定度指標(biāo)各不相同。因此，看似標(biāo)稱精度相同的流量計(jì)，實(shí)際的流量誤差并不相同。不同產(chǎn)品在長(zhǎng)期使用或不同工況下的誤差表現(xiàn)更是千差萬別。因此，對(duì)科氏流量計(jì)的不穩(wěn)定因素的研究發(fā)現(xiàn)，提高零點(diǎn)穩(wěn)定度是提高科氏流量計(jì)計(jì)量精度的最重要的途徑之一。

傳感器自身的零點(diǎn)穩(wěn)定度，在傳感器出廠時(shí)就已基本確定，對(duì)設(shè)計(jì)制造過程中的各種與零點(diǎn)穩(wěn)定度有關(guān)因素的恰當(dāng)設(shè)計(jì)、選材與工藝處理是保證傳感器零點(diǎn)穩(wěn)定度的關(guān)鍵。

制造過程會(huì)產(chǎn)生機(jī)械加工應(yīng)力、裝配應(yīng)力、焊接應(yīng)力等各種應(yīng)力。在制造完成后，內(nèi)部殘余的不平衡或不穩(wěn)定的應(yīng)力隨著外界因素及時(shí)間而緩慢變化，造成傳感器零點(diǎn)的長(zhǎng)期不規(guī)則波動(dòng)，必須采取措施快速完成這個(gè)過程，否則將嚴(yán)重降低流量計(jì)的精度與量程范圍，影響產(chǎn)品的按時(shí)交付。

3 殘余應(yīng)力穩(wěn)定化處理

3.1 熱時(shí)效處理

對(duì)2臺(tái)第一次標(biāo)定精度為1級(jí)的傳感器進(jìn)行試驗(yàn)研究。1號(hào)傳感器第一次與變送器配標(biāo)，標(biāo)定前后的零點(diǎn)變化較大，最大誤差為0.62%。1號(hào)傳感器熱時(shí)效前標(biāo)定結(jié)果如表1所示。

表1 1號(hào)傳感器熱時(shí)效前標(biāo)定結(jié)果

對(duì)該傳感器進(jìn)行熱時(shí)效處理，即按照特定的工藝曲線進(jìn)行真空加熱。1號(hào)傳感器熱時(shí)效前后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 1號(hào)傳感器熱時(shí)效前后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果圖

處理前，利用無損檢測(cè)X射線應(yīng)力檢測(cè)方法，對(duì)其振管與支架結(jié)合部的焊縫應(yīng)力進(jìn)行垂直檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)1～5與檢測(cè)點(diǎn)6～8分別位于同一根振管的進(jìn)口處與出口處，檢測(cè)點(diǎn)2、7位于焊縫中心，檢測(cè)點(diǎn)1、3、6、8位于焊縫邊緣處，檢測(cè)點(diǎn)4、5位于距焊縫兩側(cè)熱影響區(qū)約3 mm處。

熱時(shí)效處理后再次標(biāo)定，標(biāo)定前后的零點(diǎn)幾乎沒有變化，最大誤差由之前的0.62%降到了0.1%。1號(hào)傳感器熱時(shí)效后標(biāo)定結(jié)果結(jié)果如表2所示。

表2 1號(hào)傳感器熱時(shí)效后標(biāo)定結(jié)果

3.2 振動(dòng)時(shí)效處理

2號(hào)傳感器第一次與變送器配標(biāo)，標(biāo)定前后的零點(diǎn)漂移較大，最大誤差為0.826%。2號(hào)傳感器振動(dòng)時(shí)效前標(biāo)定結(jié)果結(jié)果如表3所示。

表3 2號(hào)傳感器振動(dòng)時(shí)效前標(biāo)定結(jié)果

對(duì)2號(hào)傳感器進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理，即將傳感器置于振動(dòng)臺(tái)上，按照特定的振動(dòng)時(shí)效工藝對(duì)其進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效檢測(cè)。傳統(tǒng)的方法是將傳感器與變送器連接通電，使傳感器在其工作頻率下振動(dòng)，用時(shí)約2天至2個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。處理前后分別對(duì)其振管與支架結(jié)合部位的焊縫進(jìn)行應(yīng)力檢測(cè)，檢測(cè)點(diǎn)位置與1號(hào)傳感器相對(duì)應(yīng)。2號(hào)傳感器熱時(shí)效前后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

圖3 2號(hào)傳感器熱時(shí)效前后應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果圖

同樣，對(duì)該傳感器進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理后再次標(biāo)定，標(biāo)定前后零點(diǎn)幾乎沒有變化，最大誤差由之前的0.826%降到了0.1%。2號(hào)傳感器振動(dòng)時(shí)效后標(biāo)定結(jié)果結(jié)果如表4所示。

表4 2號(hào)傳感器振動(dòng)時(shí)效后標(biāo)定結(jié)果

采用同樣的方法，對(duì)另外幾臺(tái)傳感器也進(jìn)行了處理。應(yīng)力檢測(cè)數(shù)據(jù)表明，焊縫的殘余應(yīng)力峰值下降，結(jié)構(gòu)應(yīng)力得到均化。振動(dòng)時(shí)效對(duì)提高大型焊接結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性也十分有效[9]。標(biāo)定結(jié)果表明，傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定度明顯得到改善，計(jì)量精度大幅提高。

4 結(jié)束語

采用熱時(shí)效或振動(dòng)時(shí)效的方法對(duì)傳感器進(jìn)行處理，傳感器內(nèi)部的殘余應(yīng)力可以迅速得到降低與均化，提高了傳感器的疲勞壽命。該時(shí)效方法既縮短了生產(chǎn)周期、提高了生產(chǎn)效率，又使傳感器的零點(diǎn)穩(wěn)定性得到顯著改善、計(jì)量精度大幅提高、量程范圍得到擴(kuò)展，為科氏流量計(jì)大批量用于貿(mào)易交接計(jì)量提供了保證。同時(shí)，該時(shí)效方法也可用于類似的較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)傳感器的穩(wěn)定化處理。

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Influence and Treatment of the Residual Stress of Coriolis Flowmeter

LI Ruidi,REN Dongshun,MI Changqing

(Taiyuan Taihang Coriolis Mass Flowmeter Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)

In order to improve the accuracy of Coriolis flowmeter, the accuracy of Coriolis flowmeter and the stress of Coriolis sensor are studied. On the basis of the principle and structure Coriolis flowmeter, the relationship between stress and stability of zero point is analyzed. It is found that various unbalancing residual stresses seriously impact on the zero point stability of the Coriolis sensor. Using thermal aging and vibration aging methods, two of the calibration failed sensors are processed respectively, the accuracy of these two flowmeters are raised from grade 1 to grade 0.1. The stress test results of welding seam and the calibration results of sensor show that after processing, the residual stress of welding seam is reduced and homogenized; the zero point stability and precision of the Coriolis sensor are improved remarkably. This method is widely promoted to a large number of Coriolis sensors with very good applicable effects, both to improve the accuracy of Coriolis flowmeter, and shorten the production lead time, greatly enhance the production efficiency and product quality. This method is also suitable for increasing the stability and accuracy of other sensors with more complex types of mechanical structures.

Coriolis mass flowmeter； Stability of zero point； Residual stress； Thermal aging；Electromagnetic interforence； Accuracy

李睿娣(1965—)，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事流量計(jì)量、科氏質(zhì)量流量計(jì)的研究。E-mail：867672264@qq.com。

TH814;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703022

修改稿收到日期：2016-07-24