科里奧利質(zhì)量流量計(jì)出現(xiàn)誤差分析及常見(jiàn)問(wèn)題
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是一種測(cè)量準(zhǔn)確度高、運(yùn)行穩(wěn)定可靠的流量測(cè)量?jī)x表，它可以直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量，且對(duì)被測(cè)介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)影響很小，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于能源、化工品的貿(mào)易結(jié)算。因此對(duì)于它的準(zhǔn)確性與可靠性越來(lái)越引起重視，各企業(yè)的檢定需求也越來(lái)越多。然而，檢定過(guò)程存在較多影響檢定結(jié)果準(zhǔn)確性的因素，把握不好會(huì)造成對(duì)計(jì)量結(jié)果的誤判，使檢定結(jié)果變得不可靠。以下將對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)工作原理以及在檢定和使用中常見(jiàn)問(wèn)題進(jìn)行分析和探討。
1、工作原理：
圖 1 CMF 工作原理
科里奧利質(zhì)量流量計(jì)( 以下簡(jiǎn)稱(chēng) CMF) 是利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的與流體質(zhì)量成正比的科里奧利力原理制成的一種質(zhì)量流量計(jì)，兩根 U 形管在振動(dòng)器的作用下繞主管軸以一定的頻率振動(dòng)，被測(cè)流體流進(jìn)主管道后進(jìn)入 U 形管，流動(dòng)方向與振動(dòng)方向垂直，當(dāng)流速為零時(shí)，U 型檢測(cè)管只有上下振動(dòng)而不受科里奧利力的作用。當(dāng)有流體通過(guò) U 型管時(shí)，U 型管在上下振動(dòng)過(guò)程中，將受到科里奧利力的作用。如圖 1 所示。
在 U 型管兩側(cè)的振動(dòng)中心設(shè)置傳感器 A 和傳感器 B，則傳感器 A 和傳感器 B 檢測(cè)到的信號(hào)將存在一個(gè)相位差φ，在一定時(shí)間內(nèi)存在一個(gè)時(shí)間差 t，顯然時(shí)間差 t 與扭轉(zhuǎn)角 θ 成正比。因?yàn)闄z測(cè)管在振動(dòng)中心位置時(shí)垂直方向的線速度 Lω，所以時(shí)間差 t = 2Ｒθ /Lω。則 qm = Ks LωΔt /8Ｒ2 Lω = Ks t /8Ｒ2 。由上式可以看出只要測(cè)出兩傳感器的 A 和 B 的信號(hào)時(shí)間差 t 就可以測(cè)出質(zhì)量流量 qm ，而與流體的物理參數(shù)和測(cè)試條件無(wú)關(guān)。
圖 2 靜態(tài)質(zhì)量法標(biāo)準(zhǔn)裝置
表 1 典型測(cè)量數(shù)據(jù)
| 介質(zhì)溫度: | 26. 2 | 儀表系數(shù) | 100 | P/kg | 水密度 | 997 | |
| 檢定點(diǎn) | 標(biāo)準(zhǔn)示值 | 脈沖數(shù) | 標(biāo)準(zhǔn)值 | 儀表值 | 示值誤差 | 平均誤差 | 重復(fù)性 |
| t/h | kg | P | kg | kg | % | % | % |
| 151. 84 | 15215 | 152. 001 | 152. 15 | + 0. 10 | |||
| 4. 8 | 151. 38 | 15165 | 151. 540 | 151. 65 | + 0. 07 | + 0. 09 | 0. 02 |
| 152. 45 | 15277 | 152. 612 | 152. 77 | + 0. 10 | |||
| 82. 01 | 8211 | 82. 099 | 82. 11 | + 0. 02 | |||
| 2. 40 | 80. 70 | 8082 | 80. 785 | 80. 82 | + 0. 04 | + 0. 03 | 0. 01 |
| 80. 56 | 8068 | 80. 645 | 80. 68 | + 0. 04 | |||
| 40. 57 | 4057 | 40. 613 | 40. 57 | － 0. 11 | |||
| 0. 96 | 40. 51 | 4052 | 40. 553 | 40. 52 | － 0. 08 | － 0. 09 | 0. 01 |
| 40. 53 | 4054 | 40. 573 | 40. 54 | － 0. 08 | |||
| 152. 14 | 15240 | 152. 301 | 152. 40 | + 0. 06 | |||
| 4. 80 | 151. 44 | 15172 | 151. 600 | 151. 72 | + 0. 08 | + 0. 08 | 0. 01 |
| 154. 74 | 15505 | 154. 908 | 155. 05 | + 0. 09 | |||
通過(guò)數(shù)據(jù)分析，檢查儀表的安裝狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出在安裝方面，正確安裝后重新檢測(cè)，得到數(shù)據(jù)如表 3 所示。
| 表 2 | 傳感器安裝不合理時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù) | |
| 流量點(diǎn)( t /h) | 相對(duì)誤差( % ) | 重復(fù)性( % ) |
| 10 | － 0. 25 | 0. 02 |
| 5 | － 0. 56 | 0. 03 |
| 2 | － 1. 34 | 0. 05 |
| 10 | － 0. 25 | 0. 03 |
| 表 3 | 傳感器正確安裝時(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù) | |
| 流量點(diǎn)( t /h) | 相對(duì)誤差( % ) | 重復(fù)性( % ) |
| 10 | － 0. 01 | 0. 01 |
| 5 | － 0. 05 | 0. 00 |
| 2 | － 0. 06 | 0. 02 |
| 10 | － 0. 01 | 0. 01 |
通過(guò)表 2、表 3 的數(shù)據(jù)對(duì)比，可以看出，傳感器安裝正確與否直接影響計(jì)量結(jié)果。通常安裝不正確直接會(huì)影響傳感器零點(diǎn)數(shù)值，可以比較當(dāng)前零點(diǎn)值與出廠零點(diǎn)值，如果相差超過(guò)一個(gè)數(shù)量級(jí)或者波動(dòng)較大，則需查看儀表安裝是否正確。
3. 2、儀表設(shè)置不合理引起的誤差：
對(duì)于 CMF 我們主要是采用靜態(tài)質(zhì)量法，通過(guò)獲取儀表的輸出脈沖，得到儀表在一段時(shí)間內(nèi)流過(guò)的質(zhì)量流量。標(biāo)定前應(yīng)檢查頻率輸出通道是否打開(kāi)，確保設(shè)置頻率輸出為質(zhì)量流量，合理設(shè)置頻率系數(shù)、流量系數(shù)，避免頻率輸出飽和報(bào)警。例如儀表量程是 20t /h，頻率系數(shù)10000Hz，如果儀表量程只設(shè) 10t /h，或者更小，當(dāng)流量達(dá)到 10t /h 或以上時(shí)，儀表的頻率輸出飽和報(bào)警，導(dǎo)致輸出頻率超出設(shè)置頻率，帶來(lái)極大的誤差。因此應(yīng)正確合理的對(duì)儀表量程、頻率系數(shù)和流量系數(shù)的設(shè)置，以避免儀表輸出設(shè)置不合理帶來(lái)的誤差。
3. 3、流體壓力變化引起的誤差：
表 4 壓力變化誤差對(duì)比
| 流量點(diǎn) | 壓力 | 相對(duì)誤差 | 壓力 | 相對(duì)誤差 | 壓力 | 相對(duì)誤差 |
| ( m3 /h) | ( MPa) | ( % ) | ( MPa) | ( % ) | ( MPa) | ( % ) |
| 10 | 0. 10 | + 0. 00 | 0. 20 | + 0. 01 | 0. 36 | － 0. 02 |
| 5 | 0. 12 | － 0. 03 | 0. 20 | － 0. 04 | 0. 40 | － 0. 07 |
| 2 | 0. 08 | － 0. 03 | 0. 26 | － 0. 06 | 0. 38 | － 0. 08 |
試驗(yàn)表明，流體壓力會(huì)影響流量計(jì)振動(dòng)管的剛性，這一影響與振動(dòng)管的壁厚 / 外徑比例相關(guān)。如表 4 所示。通過(guò)表 4 可以發(fā)現(xiàn)，在儀表系數(shù)和流量點(diǎn)相同的情況下，不同的工作壓力，流量計(jì)的測(cè)得結(jié)果是不一樣的。對(duì)于高精度科里奧利質(zhì)量流量計(jì)精度的影響還是不容忽視的，因此當(dāng)使用過(guò)程壓力與標(biāo)定壓力相差甚大時(shí)，應(yīng)該引入一個(gè)壓力補(bǔ)償系數(shù)。流量系數(shù)基于以下公式: K = Kcal * { 1 － Kp ( Pmeas － Pcal ) } ; 式中 K 是經(jīng)過(guò)壓力補(bǔ)償后的流量系數(shù); Kcal 是流量計(jì)出廠或安裝前標(biāo)定的流量系數(shù); Kp 是不同型號(hào)傳感器單位壓力變化的補(bǔ)償系數(shù); Pmeas 是流量計(jì)工作壓力; Pcal 是流量計(jì)離線標(biāo)定時(shí)的壓力; 如表 5 所示。通過(guò)計(jì)算和設(shè)置補(bǔ)償后的流量系數(shù)，即可消除壓力變化帶來(lái)的影響。當(dāng)壓力變化較大時(shí)，也可通過(guò)壓力變送器將壓力信號(hào)，實(shí)時(shí)接入流量計(jì)變送器，由質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)接收信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)壓力補(bǔ)償。
| 表 5 | 壓力補(bǔ)償系數(shù) | |||
| 傳感器 | 補(bǔ)償系數(shù) | 傳感器 | 補(bǔ)償系數(shù) | |
| CMF100 | 0. | 0002 | D300 | 0. 009 |
| CMF200 | 0. | 0008 | D600 | 0. 005 |
| CMF300 | 0. | 0006 | F100 | 0. 001 |
| DL100 | 0. 005 | F200 | 0. 0005 | |
| DL200 | 0. 009 | |||
3. 4、掛壁不均勻引起的誤差：
CMF 的準(zhǔn)確度 Eq = E + q0 ，E 為基本誤差限，q0 為零點(diǎn)不確定度，對(duì)于 CMF 第 i 檢定點(diǎn)的允許基本誤差限 Eq 可表示為 Eoi = ± ( qi * E + q0 ) /qi * 100% ; Eoi 是第 i 點(diǎn)的基本誤差限，qi 是第 i 點(diǎn)的質(zhì)量流量; 從上式可以看出零點(diǎn)的不穩(wěn)定度引起的誤差有時(shí)比基本誤差都大，正常檢定時(shí)都會(huì)對(duì)儀表進(jìn)行校零，當(dāng)發(fā)現(xiàn)儀表在安裝正常的情況下的零點(diǎn)波動(dòng)較大，應(yīng)該考慮儀表可能存在掛壁不均勻的現(xiàn)象，在 CMF 的使用過(guò)程中，粘度較大的介質(zhì)粘結(jié)在振動(dòng)管壁上，可能會(huì)影響流量計(jì)振動(dòng)管的振動(dòng)，出現(xiàn)這種情況時(shí)先檢查流量的零點(diǎn)，查看 K1 和 K2 值，通過(guò)計(jì)算理論頻率與實(shí)際頻率之間的差異來(lái)判斷該流量計(jì)的掛壁是否存在問(wèn)題。( 傳感器在介質(zhì)滿(mǎn)管狀態(tài)下理論頻率
= 1000000 / K2，實(shí)際頻率 = 瞬時(shí)頻率* ( 1 + Tc /1000 ) 。傳感器在空管狀態(tài)下理論頻率 = 1000000 / K1，實(shí)際頻率
= 瞬時(shí)頻率* ( 1 + Tc /1000) Hz) 。K1、K2 和 Tc 是傳感器特征化參數(shù)。
3. 5、流量標(biāo)準(zhǔn)裝置異常帶來(lái)的誤差：
檢定 CMF 時(shí)，在調(diào)零狀態(tài)下，必須保證流量標(biāo)準(zhǔn)裝置的流體是充滿(mǎn)管線且靜止的，傳感器前后兩端的閥門(mén)的密封性能應(yīng)完好，調(diào)零過(guò)程中如果發(fā)現(xiàn)零點(diǎn)較大時(shí)，需檢查傳感器兩端閥門(mén)是否完全關(guān)好; 在檢定過(guò)程中也應(yīng)時(shí)刻注意氣源的穩(wěn)定，當(dāng)氣源壓力偏低時(shí)，及時(shí)檢查是否存在漏水情況，這些情況都直接影響到質(zhì)量流量計(jì)的檢定結(jié)果，應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，馬上處理。
4、結(jié)束語(yǔ)：
筆者在 CMF 日常的檢定校準(zhǔn)工作中，對(duì)可能影響流量計(jì)檢定結(jié)果準(zhǔn)確性的常見(jiàn)原因進(jìn)行了分析和探討，結(jié)合行業(yè)內(nèi)的相關(guān)研究成果，我們有理由相信，只要充分了解 CMF 的工作原理，找到誤差產(chǎn)生的具體原因并采取有效措施加以改進(jìn)，檢定過(guò)程不難得到控制，從而提高CMF 檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，為企業(yè)提供更好的計(jì)量服務(wù)。