李 勇
(山西藺鑫煤焦化有限責(zé)任公司 設(shè)備部,山西 安澤 042509)
質(zhì)量流量計(jì)因其計(jì)量精度高,可靠性好,檢修方便,壓損小等優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎和認(rèn)可。其應(yīng)用范圍也越來(lái)越大,目前在石油化工、電力、鋼鐵、衛(wèi)生等行業(yè)都有廣泛應(yīng)用。但是,質(zhì)量流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí),會(huì)遇到許多現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題。只有根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況進(jìn)行合理科學(xué)分析,才能得到正確的結(jié)論[1]。本文以現(xiàn)場(chǎng)使用的4臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)為例,進(jìn)行實(shí)際誤差分析,從而得到實(shí)際的使用結(jié)果。
質(zhì)量流量計(jì)作為一種高精度儀表,對(duì)安裝使用都有一定的要求。只有按照使用手冊(cè),嚴(yán)格規(guī)范地進(jìn)行安裝和調(diào)試,才能保證儀表正常工作,做到準(zhǔn)確計(jì)量[2]。
質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和變送器兩部分組成。傳感器主要完成信號(hào)轉(zhuǎn)換,變送器主要完成信號(hào)解算。下面將簡(jiǎn)單介紹質(zhì)量流量計(jì)各部分的工作原理。
質(zhì)量流量計(jì)傳感器功能上主要完成信號(hào)轉(zhuǎn)換,即機(jī)械信號(hào)(管道流體流量)到電信號(hào)(成正比的電壓信號(hào))的轉(zhuǎn)換。
質(zhì)量流量計(jì)傳感器結(jié)構(gòu)上由支架、振管和線圈三部分組成[3]。支架主要起到支撐振管的作用,振管和線圈是質(zhì)量流量計(jì)傳感器的主要組成部件,起到信號(hào)轉(zhuǎn)換功能。
工作原理:當(dāng)流體靜止充滿兩個(gè)平行的測(cè)量管時(shí),振管以自身的固有頻率進(jìn)行上下振動(dòng)。此時(shí)振管的進(jìn)入口和流出口處于平衡狀態(tài),相位差為零。當(dāng)有流體流過(guò)振管時(shí),振管的振動(dòng)發(fā)生變化。在振管原上下振動(dòng)的基礎(chǔ)上,在振管的進(jìn)入口和流出口兩側(cè)會(huì)附加一個(gè)科里奧力,該力使得振管發(fā)生扭曲[4],如圖1。
圖1 質(zhì)量流量計(jì)工作原理圖Fig.1 Working principle diagram of mass flowmeter
而這一扭曲表現(xiàn)在電信號(hào)上,即兩個(gè)正弦波的相位發(fā)生錯(cuò)位,如圖2。
圖2 位移傳感器的輸出Fig.2 Output of displacement sensor
流量越大,相位差也就越大。傳感器記錄并把這兩個(gè)相位差信號(hào)傳出,供后續(xù)電路處理解算,至此完成傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換功能[5]。
質(zhì)量流量計(jì)變送器主要有兩大功能:其一,完成信號(hào)的解算功能;其二,給質(zhì)量流量計(jì)傳感器供電,使得傳感器能正常振動(dòng)。同時(shí)完成附帶其他功能,例如本安功能、電流輸出、頻率輸出、顯示以及485遠(yuǎn)傳功能等[6]。
直接測(cè)量介質(zhì)的質(zhì)量流量有很高的測(cè)量精度,可測(cè)量流體范圍廣泛,包括高粘度介質(zhì),含有固形物的漿液,足夠密度的中高壓氣體。
壓損小。由于質(zhì)量流量計(jì)的檢測(cè)部件都被安裝在管子外壁,管子內(nèi)壁光滑通暢,介質(zhì)可以順利通過(guò),壓力損失大大減小,同時(shí)也減少了管道堵塞風(fēng)險(xiǎn),便于現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。
質(zhì)量流量計(jì)可以直接測(cè)量介質(zhì)的質(zhì)量流量、密度和溫度3個(gè)參量,其余參量例如體積流量等都是換算而來(lái)。
質(zhì)量流量計(jì)零點(diǎn)不穩(wěn)定形成零點(diǎn)漂移,影響其精確度的進(jìn)一步提高,誤差分為基本誤差和零點(diǎn)不穩(wěn)定誤差兩部分。
不能用于測(cè)量低密度介質(zhì)和低壓氣體,不適合測(cè)量?jī)上嗔鹘橘|(zhì)。
外界振動(dòng)干擾較為敏感。為防止外界振動(dòng)干擾,安裝時(shí)有固定支架要求。
重量和體積較大,價(jià)格較昂貴[7]。
質(zhì)量流量計(jì)從信號(hào)處理方式來(lái)分類(lèi),有模擬式質(zhì)量流量計(jì)和數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)兩大類(lèi)。下面分別就這兩種信號(hào)處理方式進(jìn)行分析。
3.1.1 模擬式質(zhì)量流量計(jì)
早期的質(zhì)量流量計(jì)都是模擬式的。所謂模擬式質(zhì)量流量計(jì),包括兩方面內(nèi)容:驅(qū)動(dòng)電路的模擬式控制和傳感器輸出信號(hào)的模擬式處理。
1)驅(qū)動(dòng)電路的模擬式控制
驅(qū)動(dòng)電路主要給傳感器供電,但并不是簡(jiǎn)單地提供一個(gè)直流電壓源或交流電壓源。驅(qū)動(dòng)電路的組成較復(fù)雜,包括放大電路、選頻電路、比較電路、調(diào)幅電路等。驅(qū)動(dòng)信號(hào)是動(dòng)態(tài)產(chǎn)生的,而不是靜態(tài)由穩(wěn)壓電源提供。具體產(chǎn)生過(guò)程,在質(zhì)量流量計(jì)傳感器和變送器電纜連接完成后,變送器上電,此時(shí)傳感器會(huì)在上電瞬間產(chǎn)生包括各種頻率的電雜波。雜波信號(hào)進(jìn)入到變送器后,經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路的選頻電路,挑選出某一頻率的波形進(jìn)行放大,放大后再反饋到傳感器。這一過(guò)程反復(fù)循環(huán)進(jìn)行,很快就產(chǎn)生一個(gè)能讓傳感器啟動(dòng)工作的,信號(hào)頻率等于傳感器固有頻率的正弦波。當(dāng)該驅(qū)動(dòng)信號(hào)被放大到足以使傳感器穩(wěn)定工作時(shí),穩(wěn)幅電路開(kāi)始起作用,保證驅(qū)動(dòng)信號(hào)的幅值不再增大,而是穩(wěn)定在某確定值。這樣就完成了模擬式流量計(jì)的傳感器起振。如果想改變驅(qū)動(dòng)正弦波信號(hào)的電壓大小,可以通過(guò)調(diào)幅電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。整個(gè)驅(qū)動(dòng)電路的組成都由模擬電路組成,包括電阻、電容、二極管、運(yùn)放等,所以叫模擬驅(qū)動(dòng)電路。
2)傳感器信號(hào)的模擬式處理
當(dāng)傳感器振動(dòng)工作時(shí),會(huì)輸出兩路幅值和頻率相同,相位差隨流量成正比的正弦波信號(hào)。這兩個(gè)正弦波信號(hào)首先進(jìn)行濾波、整形、運(yùn)算放大,然后對(duì)經(jīng)過(guò)處理的兩路信號(hào)進(jìn)行和差化積運(yùn)算,運(yùn)算結(jié)果是傳感器的流量大小成比例的模擬直流電壓。這一直流電壓再進(jìn)行壓頻轉(zhuǎn)換,變換出成比例的頻率信號(hào)。頻率信號(hào)計(jì)數(shù)器接收,轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出到MCU芯片,然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量流量,同時(shí)換算出體積流量,供用戶選擇使用。
從傳感器輸出的模擬正弦波開(kāi)始,直到被MCU芯片接收,整個(gè)過(guò)程都是模擬處理,故稱為模擬式質(zhì)量流量計(jì)。
模擬式質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)性好,測(cè)量精度高;缺點(diǎn)是電路復(fù)雜,制造成本高,更容易受到外界干擾。
3.1.2 數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)
數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)是針對(duì)模擬式質(zhì)量流量計(jì)而言的。所謂數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì),包括驅(qū)動(dòng)電路的數(shù)字化處理和傳感器信號(hào)輸出的數(shù)字化處理。
1)驅(qū)動(dòng)電路數(shù)字化處理
驅(qū)動(dòng)電路工作狀態(tài)由芯片MCU控制。具體來(lái)講,驅(qū)動(dòng)電路的工作原理與模擬電路相同,但是驅(qū)動(dòng)電路的輸出被分成兩路:一路傳送到傳感器,驅(qū)動(dòng)傳感器振動(dòng)工作;另一路經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單處理后被送到MCU電路。MCU判斷電路的工作狀態(tài),實(shí)時(shí)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電路的輸出,使得驅(qū)動(dòng)電路的輸出能恒定在某一確定電壓值。這一帶數(shù)字反饋的處理過(guò)程被稱作驅(qū)動(dòng)數(shù)字化。
2)傳感器信號(hào)輸出數(shù)字化處理
傳感器起振正常工作后,會(huì)輸出兩路幅值和頻率完全相同的正弦波,對(duì)這兩路信號(hào)進(jìn)行處理就會(huì)得到介質(zhì)的質(zhì)量流量。所謂的數(shù)字化處理,是信號(hào)從傳感器輸出后經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單濾波就直接進(jìn)入到功能強(qiáng)大的MCU芯片,所有的信號(hào)處理包括運(yùn)放、整型、A/D轉(zhuǎn)換、計(jì)算及送顯等都是由MCU芯片來(lái)完成,大大降低了生產(chǎn)成本,也使得產(chǎn)品的可靠性和一致性都有所提高[8]。
質(zhì)量流量計(jì)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)有二三十種系列品種,其主要區(qū)別在于質(zhì)量流量計(jì)傳感器測(cè)量振管的結(jié)構(gòu)不同。不同的結(jié)構(gòu),儀表的精確度、穩(wěn)定性、靈敏度等都是不同的。
3.2.1 按照測(cè)量振管數(shù)量分類(lèi)
1)單管型:產(chǎn)品的傳感器由一根振管組成,這是早期產(chǎn)品采用的結(jié)構(gòu)方式。單管型傳感器易受外界影響,現(xiàn)在很少使用。
2)雙管型:雙管型傳感器可以很好地降低外界振動(dòng)干擾的敏感性,更容易實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量,目前絕大多數(shù)廠商的傳感器都采用這種結(jié)構(gòu)模式[9]。
3.2.2 按照振管形狀分類(lèi)
1)彎曲型
彎曲型又可分為多種形狀。現(xiàn)在市場(chǎng)上常見(jiàn)的有U型傳感器、B型傳感器、S型傳感器、T型傳感器、Ω型傳感器,以及三角形傳感器等。不同形狀的傳感器各有優(yōu)缺點(diǎn),適合不同的工況使用。例如U型傳感器,這是許多生產(chǎn)廠商采用的傳感器結(jié)構(gòu)模式,其最大特點(diǎn)就是精度高,穩(wěn)定性好,抗干擾能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是體積大,造價(jià)高,重量大。該產(chǎn)品適合用在貿(mào)易交接等要求精度高的地方。三角形傳感器屬于微彎型,體積小,重量輕,造價(jià)便宜,方便運(yùn)輸。但是精度較差,零點(diǎn)穩(wěn)定性也不是很好。這類(lèi)傳感器更適合使用在廠內(nèi)需要有計(jì)量監(jiān)控的內(nèi)部管網(wǎng)中。
2)直型
直型傳感器體積小,制造方便,重量輕,壓損小,更適合測(cè)量漿液,有固體顆粒容易沉積的固液混合體。但剛性大,起振困難,精度也不容易做到很高。
3.2.3 按測(cè)量管流動(dòng)方向分類(lèi)
1)平行方式:流體流動(dòng)方向和工藝管道流動(dòng)方向平行。U型結(jié)構(gòu)、T型結(jié)構(gòu)、三角形結(jié)構(gòu)等都采用這種方式,這種結(jié)構(gòu)更容易生產(chǎn)和運(yùn)輸。
2)垂直方式:測(cè)量管的布置與工藝管道垂直。流量傳感器整體不在工藝管道振動(dòng)干擾作用的平面內(nèi),這樣就有較強(qiáng)的抗振動(dòng)干擾的能力。
LNG計(jì)量系統(tǒng)集成商在用戶使用的4臺(tái)LNG加液機(jī)中使用了TMASS25L+HT100質(zhì)量流量計(jì)(DN25)。用戶使用后反饋,LNG加液機(jī)中的質(zhì)量流量計(jì)存在較大的計(jì)量誤差。4臺(tái)LNG加液機(jī)連接到收費(fèi)系統(tǒng),用戶通過(guò)收費(fèi)系統(tǒng)察覺(jué)存在較大的計(jì)量誤差,但4臺(tái)LNG加液機(jī)都在正常工作(正常計(jì)量收費(fèi)),故懷疑質(zhì)量流量計(jì)存在計(jì)量誤差。
1)用戶反饋信息
輸入22t,只能輸出17t,存在5t計(jì)量誤差。
2)現(xiàn)場(chǎng)誤差溯源
①輸入:輸入的氣罐車(chē)出廠隨車(chē)票據(jù)顯示裝載了22.22t,在到達(dá)加氣站后地磅測(cè)量21.8t。對(duì)比后,排除地磅的計(jì)量誤差,基本認(rèn)同輸入22t;②輸出:4臺(tái)加液機(jī)在實(shí)際計(jì)量輸出17.68701t。計(jì)量統(tǒng)計(jì)來(lái)自于LNG加液機(jī),暫不考慮LNG加液機(jī)存在漏記、少記以及與收費(fèi)系統(tǒng)傳輸時(shí)數(shù)據(jù)丟失等問(wèn)題,通過(guò)PC端收費(fèi)系統(tǒng)的統(tǒng)計(jì)記錄(見(jiàn)表1)認(rèn)同輸出17.68701t。
表1 4臺(tái)LNG加液機(jī)計(jì)量統(tǒng)計(jì)匯總表Table 1 Statistical summary table of measurement of 4 LNG dosing machines
3)殘留
用戶認(rèn)為無(wú)殘留,因?yàn)檎緝?nèi)LNG罐體液位計(jì)顯示歸零。但液位計(jì)為模擬表盤(pán)式,存在一定的讀數(shù)誤差及本身計(jì)量誤差。通過(guò)與制造廠溝通,確認(rèn)實(shí)際罐體內(nèi)依舊存在幾百公斤L(fēng)NG。綜上所述,考慮輸入、輸出及殘留,得知大約存在3t~4t的LNG計(jì)量缺失,計(jì)量誤差大約20%。
傳感器工作狀態(tài):①通過(guò)法蘭與管道連接,無(wú)獨(dú)立支撐(無(wú)影響);②工作時(shí)管道上無(wú)明顯振動(dòng);③安裝方向與殼體指示箭頭一致;④安裝位置在LNG加液機(jī)內(nèi)部;⑤安裝位置附近無(wú)強(qiáng)烈的振動(dòng)源,不會(huì)干擾傳感器正常工作;⑥工作溫度計(jì)量時(shí)為介質(zhì)溫度,不計(jì)量時(shí)與周?chē)h(huán)境溫度相同。
①據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝介紹,不存在氣液兩相流情況導(dǎo)致傳感器停止振動(dòng),不計(jì)量;②據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝介紹,不存在計(jì)量時(shí)傳感器溫度劇烈變化(輸出LNG前,LNG加液機(jī)啟動(dòng)預(yù)冷,對(duì)整個(gè)管路進(jìn)行降溫);③據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝介紹,不存在不滿管計(jì)量狀態(tài);④據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝介紹,質(zhì)量流量在傳感器可控流量范圍,不存在過(guò)小的流量情況。
1)工作狀態(tài)
①變送器無(wú)顯示部分;②質(zhì)監(jiān)局對(duì)變送器的腔體蓋進(jìn)行了鉛封(見(jiàn)圖4);③控制器為其提供電源;④通過(guò)485接口與控制器連接;⑤控制器采用“與ADS兼容的MODBUS協(xié)議及寄存器地址”去訪問(wèn)其控制變送器;⑤4臺(tái)變送器對(duì)質(zhì)量流量的切除量在0.9kg/min,2kg/min(對(duì)計(jì)量無(wú)影響,不存在切除量過(guò)大,導(dǎo)致出現(xiàn)計(jì)量誤差的現(xiàn)象)。
圖4 MF變送器現(xiàn)場(chǎng)鉛封圖Fig.4 Field lead seal of MF transmitter
2)控制流程(來(lái)自LNG加液機(jī)技術(shù)方)
①開(kāi)始計(jì)量時(shí),控制器讀取變送器的累計(jì)總量;②計(jì)量結(jié)束后,控制器再次讀取變送器的累計(jì)總量;③求取差值得到計(jì)量總量后,下傳清除累計(jì)總量指令。
對(duì)4臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行功能診斷:①A/B檢測(cè)電壓正常;②振動(dòng)頻率正常;③驅(qū)動(dòng)正常;④測(cè)溫正常;⑤自診斷正常。
整機(jī)無(wú)故障,無(wú)異常。
獲取與“質(zhì)量流量計(jì)量”相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行分析。
圖5 MICROMOTION CMF系列零點(diǎn)穩(wěn)定性指標(biāo)Fig.5 Zero point stability index of MICROMOTION CMF series
現(xiàn)場(chǎng)工藝介紹,每車(chē)裝車(chē)量大約在200kg,裝車(chē)時(shí)間在5min~10min,得到實(shí)際裝車(chē)流量為:5min裝滿,流 量Flowmax=200kg/5min=40kg/min;10min裝 滿,流量Flowmin=200kg/10min=20kg/min。傳感器的流量范圍為20kg/min~200kg/min,實(shí)際使用的最小流量為20kg/min,在傳感器的10:1量程點(diǎn)附近,符合傳感器使用要求。
由傳感器零點(diǎn)的工廠值(出廠前進(jìn)行流量標(biāo)定的預(yù)置值)和現(xiàn)場(chǎng)使用值(建站時(shí)流量計(jì)廠商調(diào)試(遠(yuǎn)程視頻調(diào)試)后的設(shè)定值)進(jìn)行分析,估算零點(diǎn)產(chǎn)生的計(jì)量誤差。
1#表流量計(jì)零點(diǎn)產(chǎn)生的計(jì)量誤差λ:
1#流量計(jì)零點(diǎn)產(chǎn)生的誤差估算在18.62%~9.31%。嘗試現(xiàn)場(chǎng)再次校準(zhǔn)零點(diǎn),由于現(xiàn)場(chǎng)溫度與實(shí)際工作溫度相差較大,校準(zhǔn)零點(diǎn)有偏差,不做分析;又因?yàn)榱髁坑?jì)已做“鉛封”,故恢復(fù)之前現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量檢定時(shí)使用值。對(duì)比MicroMotion CMF025零點(diǎn)穩(wěn)定性如5圖。
2#流量計(jì)零點(diǎn)產(chǎn)生的計(jì)量誤差:
流量計(jì)零點(diǎn)產(chǎn)生的誤差估算在 5.0%~2.50%[5]。
據(jù)了解在建站后到現(xiàn)場(chǎng)檢定前,質(zhì)量流量計(jì)存在計(jì)量偏差,流量計(jì)廠商調(diào)試(遠(yuǎn)程視頻調(diào)試)后對(duì)其進(jìn)行修改,只有2#,3#有此值,估算流量標(biāo)定產(chǎn)生的計(jì)量誤差。
2#流量計(jì)流量系數(shù)產(chǎn)生的誤差:
3#流量系數(shù)產(chǎn)生的誤差:
2#流量計(jì)流量系數(shù)產(chǎn)生的誤差在3.61%。
4臺(tái)流量計(jì)的溫度流量補(bǔ)償系數(shù)設(shè)定值都為4.5,據(jù)經(jīng)驗(yàn)在低溫時(shí)需修正溫度流量補(bǔ)償系數(shù)。不同溫度補(bǔ)償系數(shù)帶來(lái)的計(jì)量誤差如下:
由此可知,溫度流量補(bǔ)償系數(shù)變化0.1,帶來(lái)的誤差為0.1×1.5%=0.15%
1)水平安裝。在條件允許的情況下,質(zhì)量流量計(jì)要實(shí)現(xiàn)水平安裝,這樣能保證其正常工作。
2)前后留出足夠的直管段。流體在管道內(nèi)的流態(tài)比較復(fù)雜,不同流態(tài)下的質(zhì)量流量計(jì)有不同的工作狀態(tài),影響其測(cè)量精度。前后留出直管段,可以保證流體處于層流狀態(tài),更接近出廠標(biāo)定環(huán)境,從而具有更高的計(jì)量精度。
3)遠(yuǎn)離振動(dòng)源。質(zhì)量流量計(jì)本身的工作原理,就是依靠振管自身的震動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)流量計(jì)量的。如果外界有振動(dòng)源就會(huì)相互干擾,從而影響產(chǎn)品的計(jì)量精度,甚至?xí)斐蓛x表停振。如果現(xiàn)場(chǎng)原因無(wú)法避免而距離太近,必須在儀表與振動(dòng)源之間安裝膨脹節(jié)以減緩?fù)饨缯駝?dòng)對(duì)儀表的影響。
4)流量計(jì)的安裝位置應(yīng)盡量安裝在管道最低處。流量計(jì)在使用時(shí)一定要充滿液體,安裝在最低處可以保證管道內(nèi)時(shí)刻充滿液體,儀表使用在間段送料的環(huán)境中,可以避免開(kāi)啟和停止送料時(shí)管道的空化,造成計(jì)量誤差。
5)傳感器箱體下面不能有支撐物。許多用戶在安裝質(zhì)量流量計(jì)時(shí),為了方便在箱體下墊支撐物,當(dāng)安裝完畢也不會(huì)把支撐物去掉,這樣會(huì)影響計(jì)量精度。因?yàn)橹挝飼?huì)影響傳感器的振動(dòng),從而影響到計(jì)量精度。
6)變送器要安裝在通風(fēng)干燥的地方,避免在變送器上堆放雜物,避免陽(yáng)光直射,這樣會(huì)影響儀表的使用壽命。
7)變送器與傳感器間的連接電纜一定要用廠家提供的帶屏蔽層的專用電纜,而且屏蔽線要一端接地,保證屏蔽線上各點(diǎn)處于等電勢(shì)狀態(tài),而且傳感器外殼和變送器外殼要牢固接地[10]。
以上是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)場(chǎng)安裝的一些體會(huì),按照如上要求進(jìn)行安裝調(diào)試,儀表一般都會(huì)有很好的計(jì)量效果。
儀表在使用過(guò)程中誤差是客觀存在的,誤差的組成也是確定的,可以對(duì)儀表的誤差進(jìn)行拆解分析,然后找出影響儀表使用的最大誤差來(lái)源,針對(duì)性采取措施。從上面誤差案例分析可以非常清楚地看到每一臺(tái)流量計(jì)的誤差組成,不同組分的誤差大小和誤差來(lái)源,這樣就能針對(duì)性采取措施,達(dá)到最佳使用效果。