姜 燕 蘇慶文 許文達(dá) 高 璐

(1.煙臺(tái)市計(jì)量所；2.國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站)

不同介質(zhì)溫度下電磁流量計(jì)特征系數(shù)的實(shí)驗(yàn)分析

姜 燕1,2蘇慶文1,2許文達(dá)1,2高 璐1,2

(1.煙臺(tái)市計(jì)量所；2.國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站)

介紹電磁流量計(jì)的工作原理，給出電磁流量計(jì)特征系數(shù)的修正公式。以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，基于靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，研究了介質(zhì)溫度對(duì)電磁流量計(jì)特征系數(shù)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)流體溫度在16.7～30.0℃時(shí)，電磁流量計(jì)相對(duì)示值誤差在±0.13%以內(nèi)，介質(zhì)溫度的影響可以忽略；當(dāng)流體溫度在30～63℃時(shí)，介質(zhì)溫度的影響不能忽略。將修正后的特征系數(shù)應(yīng)用于電磁流量計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，得到DN80mm和DN100mm電磁流量計(jì)的相對(duì)示值誤差的最大值為0.03%，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

電磁流量計(jì) 特征系數(shù) 介質(zhì)溫度 修正值

7

電磁流量計(jì)的測(cè)量通道是一段無(wú)阻流件的光滑直管，不易阻塞，因此適用于測(cè)量含有固體顆?；蚶w維的固液兩相流量。電磁流量計(jì)因具有壓力損失相對(duì)較小、量程范圍和口徑范圍寬、反應(yīng)靈敏、可測(cè)量瞬時(shí)脈動(dòng)流量及可測(cè)量正反兩個(gè)方向的流量等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于高溫化工工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種導(dǎo)電液體的流量測(cè)量[1～5]。

目前，電磁流量計(jì)的出廠檢驗(yàn)與檢定工作是在實(shí)驗(yàn)室常溫參考條件下進(jìn)行的，但實(shí)際工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常是高溫環(huán)境，與實(shí)驗(yàn)室參考條件有較大偏離，由此對(duì)電磁流量計(jì)造成的測(cè)量誤差尚不明確。盡管學(xué)者們對(duì)電磁流量計(jì)進(jìn)行了大量研究分析[3～7]，但很少涉及到流體介質(zhì)溫度變化對(duì)電磁流量計(jì)測(cè)量誤差的影響。2017年，許瑞祥對(duì)3個(gè)不同品牌的電磁流量計(jì)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，提出高精度電磁流量計(jì)會(huì)受到介質(zhì)溫度的影響[8]。為了使檢定和計(jì)量工作更加科學(xué)合理，筆者結(jié)合電磁流量計(jì)的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用條件，應(yīng)用國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，就介質(zhì)溫度對(duì)電磁流量計(jì)特征系數(shù)的影響進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 電磁流量計(jì)的工作原理

(1)

式中k——比例常數(shù)。

圓形截面管道的體積流量qV為：

(2)

結(jié)合式(1)、(2)可得：

(3)

定義K為電磁流量計(jì)的特征系數(shù)，該系數(shù)通常由實(shí)流標(biāo)定得到。然而當(dāng)介質(zhì)溫度升高時(shí)：流體在管道中的流場(chǎng)分布情況會(huì)發(fā)生變化；流體粘度變小，流速增大；傳感器通徑會(huì)發(fā)生變化?；诖耍P者重點(diǎn)研究介質(zhì)溫度對(duì)電磁流量計(jì)特征系數(shù)的影響。

2 電磁流量計(jì)特征系數(shù)的修正

特征系數(shù)的主要任務(wù)是將外在環(huán)境因素引起的測(cè)量誤差、傳感器測(cè)量管內(nèi)徑誤差、磁感應(yīng)強(qiáng)度誤差、流速分布非軸對(duì)稱性和電磁流量計(jì)制作工藝引起的誤差，代入特征系數(shù)表達(dá)式并予以修正。

在溫度t下，電磁流量計(jì)的特征系數(shù)Kt為：

第i個(gè)流量點(diǎn)第j次實(shí)測(cè)的示值誤差Eij為：

每個(gè)流量點(diǎn)的示值誤差Ei為：

每個(gè)流量點(diǎn)的重復(fù)性Er為：

某溫度點(diǎn)電磁流量計(jì)的相對(duì)示值誤差Et為流量計(jì)在該溫度下，各流量點(diǎn)的相對(duì)示值誤差的最大值。

3 實(shí)驗(yàn)與誤差分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

采用國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，流量測(cè)量范圍1～600m3/h，擴(kuò)展不確定度Urel=0.05%(k=2)。以水為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)，選取DN80mm和DN100mm的0.5級(jí)電磁流量計(jì)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)測(cè)量3次，共180次測(cè)試，研究電磁流量計(jì)特征系數(shù)隨溫度變化的特性。具體實(shí)驗(yàn)方案見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)方案

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與誤差分析

利用蒸汽對(duì)水箱中的水進(jìn)行換熱，以達(dá)到目標(biāo)溫度；利用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到目標(biāo)流量后即可進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，其中Kij表示被測(cè)電磁流量計(jì)第i個(gè)流量點(diǎn)第j次實(shí)測(cè)的脈沖系數(shù)修正后的特征系數(shù)。可以看出，高溫對(duì)被測(cè)電磁流量計(jì)特征系數(shù)的影響較明顯，DN100mm電磁流量計(jì)的特征系數(shù)在高低溫處的最大變化量為0.9%。特征系數(shù)在溫度變化范圍內(nèi)的整體趨勢(shì)可以分為以下3個(gè)階段：

a. 當(dāng)流體介質(zhì)溫度在16.7～30.0℃時(shí)，與K0相比Kt略減小，但變化不明顯，可以忽略；

b. 當(dāng)流體介質(zhì)溫度在30～55℃時(shí)，與K0相比Kt繼續(xù)減小，但Kt仍趨于穩(wěn)定；

c. 當(dāng)流體介質(zhì)溫度高于55℃時(shí)，特征系數(shù)Kt在階段b的基礎(chǔ)上再減小。

圖1 兩種口徑的電磁流量計(jì)特征系數(shù)隨溫度的變化情況

被測(cè)電磁流量計(jì)特征系數(shù)的相對(duì)誤差如圖2所示。

圖2 兩種口徑的電磁流量計(jì)特征系數(shù)的相對(duì)誤差

由圖2可以看出，DN80mm和DN100mm電磁流量計(jì)第i個(gè)流量點(diǎn)第j次實(shí)測(cè)的特征系數(shù)Kij的相對(duì)誤差上限分別為0.23%和0.25%，相對(duì)誤差下限分別為-0.51%和-0.65%。

根據(jù)JJG 1033-2007[9]，DN80mm和DN100mm電磁流量計(jì)在不同溫度下的相對(duì)示值誤差和重復(fù)性見表2。可以看出，當(dāng)流體溫度在16.7～30.0℃時(shí)，電磁流量計(jì)的相對(duì)示值誤差在±0.13%以內(nèi)，筆者認(rèn)為在此溫度范圍內(nèi)，介質(zhì)溫度變化對(duì)電磁流量計(jì)的影響可以忽略。當(dāng)流體溫度在30～63℃時(shí)，電磁流量計(jì)的相對(duì)示值誤差正偏，最大誤差為0.60%，對(duì)于DN100mm的電磁流量計(jì)，其相對(duì)示值誤差已經(jīng)超出了0.5級(jí)電磁流量計(jì)的精度范圍。因此，當(dāng)電磁流量計(jì)用于高溫環(huán)境的高精度測(cè)量時(shí)，介質(zhì)溫度的影響一定不能忽略。

表2 未修正電磁流量計(jì)的相對(duì)示值誤差和重復(fù)性

根據(jù)上述分析，當(dāng)流體溫度在30～55℃時(shí)，DN80mm電磁流量計(jì)特征系數(shù)的修正值Δ80=-0.0015，DN100mm電磁流量計(jì)特征系數(shù)的修正值Δ100=-0.0019；當(dāng)流體溫度高于55℃時(shí)，Δ80=-0.0018，Δ100=-0.0034。因此可以得到，當(dāng)流體溫度高于30℃時(shí)，電磁流量計(jì)特征系數(shù)k=k0+Δ。將修正后的特征系數(shù)應(yīng)用于電磁流量計(jì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，得到DN80mm和DN100mm電磁流量計(jì)的相對(duì)示值誤差最大值為0.03%。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者采用國(guó)家蒸汽流量計(jì)量站靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，選取DN80mm和DN100mm的0.5級(jí)電磁流量計(jì)，研究了電磁流量計(jì)特征系數(shù)隨溫度變化的特性。當(dāng)流體溫度在16.7～30.0℃時(shí)，電磁流量計(jì)相對(duì)示值誤差在±0.13%以內(nèi)，介質(zhì)溫度變化對(duì)電磁流量計(jì)的影響可以忽略。當(dāng)流體溫度在30～63℃時(shí)，電磁流量計(jì)相對(duì)示值誤差正偏，最大誤差為0.60%，對(duì)于DN100mm電磁流量計(jì)，其相對(duì)示值誤差已經(jīng)超出了0.5級(jí)電磁流量計(jì)的精度范圍。由于本次實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)有限，且流體溫度僅測(cè)試到63℃，不能直接給出介質(zhì)溫度與電磁流量計(jì)特征系數(shù)的修正公式，故后續(xù)仍需對(duì)該課題做深入研究。

[1] 徐英華.流量計(jì)量[M].北京:中國(guó)質(zhì)檢出版社,中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2012:137～167.

[2] 馬志溪.電磁流量計(jì)測(cè)定鹽漿流量[J].化工自動(dòng)化及儀表,1984,11(4):35～36.

[3] 張晶晶.高精度電磁流量計(jì)的研制[D].杭州:中國(guó)計(jì)量學(xué)院,2012.

[4] 肖鵬,趙霞.抗干擾技術(shù)在智能電磁流量計(jì)中的應(yīng)用[J].自動(dòng)化儀表,2007,28(4):9～11.

[5] 王慧.電磁流量計(jì)在稀土洗液測(cè)量及控制中的應(yīng)用[J].化工自動(dòng)化及儀表,1990,17(4):54～55.

[6] 李小京,王萍,盧景山.用相關(guān)算法改善電磁流量計(jì)低流速性能[J].化工自動(dòng)化及儀表,2004,31(6):66～68.

[7] 林榮祥.方波勵(lì)磁電磁流量計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,1981,8(5):33～35.

[8] 許瑞祥.高精度電磁流量計(jì)溫度影響實(shí)驗(yàn)分析[J].工業(yè)計(jì)量,2017,27(1):69～70.

[9] JJG 1033-2007,電磁流量計(jì)檢定規(guī)程[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2007.

ExperimentalAnalysisoftheCharacteristicCoefficientofElectromagneticFlowmeterwithDifferentMediumTemperatures

JIANG Yan1,2, SU Qing-wen1,2, XU Wen-da1,2, GAO Lu1,2
(1.YantaiInstituteofMetrology; 2.NationalSteamFlowrateMeasurementStation)

The working principle of electromagnetic flowmeter was introduced and formula correction for its characteristic coefficient was presented. Taking the water as experimental medium and basing on static mass method-supported water flow standard system, the water temperature influence on characteristic coefficient of the electromagnetic flowmeter was investigated to show that, when fluid temperature ranges from 16.7℃ to 30.0℃, the relative error displayed by the electromagnetic flowmeter stays within ±0.13% and the influence of medium temperature can be ignored;when the medium’s temperature stays at 30.0℃ th 63.0℃,the influence of this temperature has to be considered. Applying the revised characteristic coefficient to the measurement experiment of the electromagnetic flowmeter shows that, the maximum value of relative indication error of the electromagnetic flowmeter (DN80mm,DN1000mm) is 0.03% which satisfying experimental requirement.

electromagnetic flowmeter, characteristic coefficient, medium temperature, corrected value

TH814+.93

A

1000-3932(2017)09-0841-04

2017-03-31，

2017-04-27)

姜燕(1963-)，高級(jí)工程師，從事流量計(jì)量工作，gaolu08zdh@126.com。