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摘 要：科氏力質量流量計由于有著能直接測量質量流量的優點，在我國從90年代初進入工業測量領域以來，應用越來越廣泛。早期的質量流量計生產廠家都宣稱其產品不受被測介質的密度、溫度、壓力、粘度等變化的影響，隨著近幾年的大量應用，發現測量介質的物理參量的變化對其測量精度是有影響的。本文主要討論被測介質壓力的變化對流量計測量精度的影響。
關鍵詞：科氏力，質量流量計，測量精度，測量介質，工作壓力，誤差
一、 科氏力質量流量計的工作原理
科氏力質量流量計是運用流體質量流量對振動管振蕩的調制作用即科里奧利力現象為原理，以質量流量測量為目的的質量流量計。一般由傳感器和變送器組成。
圖一
圖二
如圖一所示。當質量為δm的流體質點，以速度V沿管道AB運動，同時，管道AB又以A點為圓心以角速度Ω轉動，當該質點做上述復合運動時，在任意一點M處，質點具有兩個加速度分量：向心加速度ar, 方向指向A點；科氏加速度ak,方向向上，量值為2ΩV。為使流體質點具有科氏加速度，需要在ak 方向施加一個大小等于2ΩVδm的力，這個力來自管道，而流體質點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，設管道橫截面積為S，則任一段長度為△X管道上的科氏力△Fc為：
Fc= -△mak (2)
式中△m為長度△X管道中的流體質量。△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，質量流量qm=ρSV,
有： qm=△Fc/2Ω△X (4)
從式(4)中可以看出，測量在旋轉管道中流體的科氏力就可以直接測得質量流量。在實際應用中使測量管道做簡諧振動，用振動的方式代替旋轉的方式，利用電磁或光電的檢測器檢測科氏力對振動的影響從而測得管道中的質量流量。
按照傳感器測量管的形狀，質量流量計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，但由于其振動系統剛度大，諧振頻率高，相位差小，電信號處理較困難。為了降低諧振頻率，管壁必須較薄，而較薄的管壁會使耐磨性和抗腐蝕性變差。彎管型的振動系統剛度較低，電信號容易處理，可選用較厚的測量管壁，其耐磨性和抗腐蝕性較好，但由于形狀復雜，容易積存殘渣和氣體，引起誤差，結構尺寸也較大。
從式(4)中還可以看出，質量流量并不受壓力的影響，只同測量管的幾何形狀和測量系統的振蕩特性有關。但實際上，工作壓力的變化會引起測量管幾何尺寸的改變并對測量系統的振蕩特性產生影響，從而引起測量誤差。為了實際證明這一點，我們采用實驗的方法分析工作壓力的變化對流量計測量精度的影響。
二、 工作壓力對流量計測量精度的影響
利用可調節工作壓力的靜態稱量法水流量標準裝置在不同壓力下對同一臺流量計進行測試，從而得到壓力對流量計精度的影響值。實驗選用國內應用較廣的一型彎管型和一型直管型流量計作為被測對象，所用的標準裝置是通過標定的系統，實驗步驟依照JJG897-95《質量流量計檢定規程》進行，并參考了ISO 10790的有關要求。
1.實驗方法 按照正常的檢定操作安裝好流量計，設定好檢定壓力，在進行完系統預熱，調整流量計的零點后。進行檢定操作，完成一次檢定過程后，重新設定檢定壓力，在新的檢定壓力下再次進行檢定操作，直到完成全部實驗壓力點的測試。在全部實驗過程中，不對流量計的設置做改動。
2.彎管型實驗數據
表1為對一臺DS300流量計在不同檢定壓力下的測試數據
依照流量值對表1的數據進行分析，分別計算在各流量點下的流量計的誤差變化得到表2-5。
表1 DS300型流量計在不同檢定壓力下的測試數據表
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流量
(t/h) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
|
120 |
|
|
0.32 |
0.14 |
0.42 |
-0.01 |
|
|
|
100 |
|
|
0.36 |
-0.01 |
0.47 |
-0.20 |
|
|
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90 |
0.17 |
0.24 |
|
|
|
|
|
|
|
50 |
0.17 |
0.09 |
0.36 |
-0.13 |
0.43 |
-0.22 |
0.55 |
-0.38 |
|
20 |
0.17 |
0.02 |
|
|
0.43 |
-0.29 |
0.55 |
-0.48 |
|
90 |
0.17 |
0.20 |
|
|
|
|
|
|
|
100 |
|
|
|
|
|
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表2 當流量為20t/h不同工作壓力狀態下的誤差情況表
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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 當流量為50t/h在不同工作壓力狀態下的誤差情況表
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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 |
|
0.55 |
0.12 |
-0.38 |
-0.16 |
-0.13 | 表4 當流量為100t/h在不同壓力狀態下的誤差情況表
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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% |
|
0.32 |
|
0.14 |
|
|
|
0.42 |
0.1 |
-0.01 |
-0.15 |
-0.15 | 表5 當流量為120t/h在不同壓力狀態下的誤差情況表
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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 |
|
-0.01 |
|
|
|
0.47 |
0.11 |
-0.2 |
-0.19 |
-0.17 | 3.直管型實驗數據
表6為一臺63FS80流量計在不同檢定壓力下的測試數據
同樣依照流量值對表6的數據進行分析，分別計算在各流量點下的流量計的誤差變化得到表7-9。
從表2-5中可以發現流量計的實際工作壓力每升高0.1Mpa流量計會產生-0.12～-0.17%的附加誤差。即當工作壓力高于檢定壓力時，每高出0.1Mpa流量計會產生約為-0.15%的附加誤差，而當工作壓力低于檢定壓力時。每低0.1Mpa流量計會產生約為+0.15%的附加誤差。此實驗數據同該儀表的制造商公布的數據(-0.13%/0.1Mpa)基本一致。
表6 63FS80型流量計在不同檢定壓力下的測試數據表
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流量
(t/h) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
壓力
(Mpa) |
相對誤差
(%) |
|
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 當流量為20t/h在不同壓力狀態下的誤差情況表
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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 |
|
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 當流量為50t/h在不同壓力狀態下的誤差情況表
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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 當流量為100t/h在不同壓力狀態下的誤差情況表
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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可以發現，流量計實際工作壓力的變化會產生較大的誤差，其變化值遠遠高于流量計的標稱精度，并且這種變化沒有規律。工作壓力每變化0.1Mpa流量計會產生-2.55～+1.18%的附加誤差。因此這種型號的流量計在實際應用中是不能接受的。
三、 解決壓力影響的方法
應該指出的是，我們此次實驗選用的流量計，是受壓力影響較大型號的流量計，對其它型號的，特別是DN50口徑以下的流量計受壓力影響較小。為了避免實際應用中壓力變化對流量計測量精度的影響，可以采取以下方法：
1.在選型時盡量選用受壓力變化影響小的質量流量計；
2.對流量計進行在線檢定；在不具備在線檢定條件時，也應使流量計在工作壓力下進行離線檢定；
3.對一些受壓力影響所產生附加誤差的變化較穩定的流量計，可采用安裝壓力變送器的方法以軟件的方式實現進行實時的壓力補償計算。
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