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智能电磁流量计

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动态零点整定法解决智能电磁流量计综合误差探析

来源:作者:发表时间:2019-10-24 08:34:05

一、智能电磁流量计工作原理
智能电磁流量计(以下简称“智能电磁流量计”)是一种测量精度高、性能稳定可靠的流量测量仪表,与速度式流量计和体积式流量计相比,它可以直接测量流体的质量流量,减少了体积转质量的繁杂换算过程。随着社会经济技术的发展,智能电磁流量计越来越广泛地应用于现场计量和贸易结算。目前,用于贸易结算的智能电磁流量计主要有艾默生、E+H(恩德斯·豪斯,简称“E+H”)、科隆等世界著名公司的产品,国产品牌也如雨后春笋,发展势头迅猛,大量应用于企业内部计量。很多人会认为,智能电磁流量计测量的是质量流量,其测量精度与被测介质的温度、压力无关,其实这种看法并不科学。
当一根管子绕着原点旋转时,让一个质点从原点通过管子向外端流动,即质点的线速度由零逐渐加大,也就是说质点被赋予能量,随之产生的反作用力将使管子的旋转速度减缓,即管子运动发生滞后;相反,让一个质点从外端通过管子向原点流动,即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零,也就是说质点的能量被释放出来,随之产生的反作用力将使管子的旋转速度加快,即管子运动发生超前。这种能使旋转的管子运动速度发生超前或滞后的力就称为科里奥利力(简称“科氏力”)。
将绕着同一根轴线以同相位旋转的两根相同的管子外端用同样的管子连接起来形成一条U形管。当管子内没有质点流过时,连接管与轴是平行的;而当管子内有质点流过时,由于科氏力的作用,两根旋转管发生相位差,连接管就不再与轴平行。总而言之,管子的相位差大小取决于管子变形的大小,而管子变形的大小仅仅取决于流经管子的流体质量的大小。这就是利用科氏力测量质量流量工作原理的理论基础。
二、影响智能电磁流量计测量精度的因素
影响智能电磁流量计测量精度的因素有很多,除了流量计本身设计和制造方面的因素外,智能电磁流量计的安装条件、操作参数及运行环境等也会产生不容忽视的误差,如安装连接产生的应力、工作环境中强烈的机械振动、工艺介质温度过高以及工作压力远高于检定压力等,都会直接影响智能电磁流量计的测量精度。
(一)安装应力的影响及修正流经测量管的流体引起测量管扭曲,其扭曲程度与质量流量大小成正比。如流量计外部安装存在应力,会直接叠加于测量管上,影响其扭曲程度,显然测量结果的准确性无法保证。因此,要规范仪表安装,消除应力。安装时将直管先固定在支撑架上,装上流量计的连接件,将直管按规定的长度割开,将流量计无应力吊装焊接;或将工艺管道与法兰正确对准,保持同轴同心以减小应力,并设置固定支撑架,避免仪表在较长管线上振动。支撑架应安装在仪表两端法兰外的管线上,如果直接支撑于仪表本身,会影响其振动程度,振荡时产生的相位差就会引起测量偏差,从而影响测量结果,尤其对大口径流量计,因其振动幅度大,后果更严重。
(二)机械振动的影响及修正从智能电磁流量计的工作原理可知,它是基于振动的原理进行测量的仪表,而外界的机械振动所产生的谐振波势必会干扰仪表自有的振动幅度和频率,影响测量的精度,严重时甚至还会损坏仪表。为消除机械振动对仪表精度造成的影响,应在安装和使用维护方面加以注意。安装的地点应尽量选择在没有机械振动的地方,远离泵房、机组等振动源;加强工艺管道的固定及支撑,避免机械振动通过管道作用于智能电磁流量计传感器而产生干扰,引起异常振动,影响仪表正常工作。对于较短时间内或较弱的振动,则可通过增加流量计阻尼系数来进行修正。阻尼系数可以通过专用的通信器修改。
(三)工艺介质温度的影响及修正工艺介质温度的变化会引起介质体积的变化,但不会影响质量测量,因为无论温度如何变化质量总是守恒的。但从材料力学的角度考虑,温度的变化会影响测量管刚性与零点稳定度,从而影响智能电磁流量计的测量精度。温度的变化对测量管刚度的改变在于:当温度升高时,测量管的材质会变软,反之则变硬,科氏力产生的扭曲量也因此受影响。但测量管刚性具有重复性且可修复,一般智能电磁流量计的传感器内都安装有RTD(电阻温度探测器,简称热电阻)温度传感器,可进行温度测量并进行温度补偿。但温度变化对零点稳定度的影响却会产生一个附加误差,且是非重复性的。这是由传感器的材质和几何结构的不均衡造成的。传感器的零点不稳定是由于介质温度与调零温度不一致时可能发生的最大偏移造成的。在介质温度与调零温度有较大差别时,误差较为显著。因此,为了减小温度对零点稳定度的影响,可以通过智能电磁流量计在工艺温度下调零来实现。
(四)工作压力的影响及修正
工作压力的变化与温度的变化一样,也会引起测量管刚度的改变。当介质压力升高时,传感器测量管材质变硬。压力改变引起传感器弹性变差和结构尺寸的改变,从而影响了智能电磁流量计的仪表常数。因此,测量管的材料和几何尺寸决定着压力对传感器影响的大小,测量管口径越大,影响越大。
压力对智能电磁流量计的影响不仅是介质压力的波动对智能电磁流量计的影响,更为突出的是工作压力与标定压力的较大偏差而造成的影响。目前流量计标定站的标定压力一般设定在0.3MPa左右,但是智能电磁流量计一般安装于供方的输油泵出口,实际工作压力远高于标定压力。当工作压力高于标定压力时,传感器测量管刚度的轻微变化会导致流量测量值产生一个负向偏差,其幅度与测量管的厚度与外径比有一定的关系,比值高影响小,比值低则影响大。
某计量测试中心曾采用试验的方法测试出压力变化对仪表测量精度的影响程度。具体方法是利用体积管流量标准装置对一台智能电磁流量计进行试验,按照正常的检定操作规程安装好智能电磁流量计,设定好检定压力,调整好智能电磁流量计零点后进行标定操作。完成一次检定过程后,重新设定检定压力,在新的检定压力下再次进行标定操作,直到完成所有压力点的测试。对同一台智能电磁流量计在不同压力下进行测试,压力越大,相对误差越大,且误差为负数,表明流量显示值偏小。从上面的分析可以看出:压力对智能电磁流量计测量值的影响是确实存在的,因此有必要加以修正。仪表厂家在制造智能电磁流量计时,已考虑到压力对测量精度的影响,通过增加测量管的壁厚来降低压力对测量精度的影响,但增加壁厚会降低扭曲灵敏度,而扭曲灵敏度的降低会降低测量精度,所以为了确保测量精度,测量管直径和壁厚应保持在一个最佳比例。厂商无法在制造时进行更多的技术改进来消除工作压力对测量精度的影响,要消除这种影响,还要在使用过程中进行修正。方法之一是由供需双方约定一个平均压力,计算出补偿后的流量系数,重新在变送器中组态,或根据流量系数的变化确定一个平均流量系数直接对流量计结果进行修正,这在压力波动不大的情况下是可以采用的。但是较科学和准确的办法是在计量点配备压力变送器,将压力变送器测得的信号引入智能电磁流量计变送器中,由智能电磁流量计根据接收到的信号进行自动压力补偿。
三、动态零点整定法
上面所述的方法并不是最简单的途径,因为平均压力虽然容易得到,但是计算补偿后的流量系数并非易事。市场品牌不一,产品系列多样,智能化程度参差不齐,很难实现量化,只有通过反复试验和计算才能得到最科学的数据,工作量很大;配备压力变送器进行补偿,既增加了投入,又增加了维护及检定等工作量,有的品牌不一定有此技术功能,即便是有此功能,厂家也必须提供补偿数学模型。其实一台流量计安装到现场后,其工作条件(压力、温度、应力等)是基本不变的,即便是在油库装车系统,也会在管路中设计压力自动调节装置;另外,《智能电磁流量计检定规程》(JJG 1038—2008)中并未涉及智能电磁流量计压力修正的问题,故最科学且具有操作性的方法就是动态零点整定法。
一台智能电磁流量计自检定完安装至现场后,与检定条件相比,其所受应力、介质温度、介质压力都与检定条件大有不同。但当智能电磁流量计投运后正常工作时,温度、压力等参数基本恒定,细微的变化可以忽略不计。当达到稳定工作状态后,保持压力稳定,温度恒定,停泵使表体内充满介质且完全静止,此时进行智能电磁流量计零点整定,可以消除所有外在的因素对其测量精度的影响。如工作条件变化,只需在变化后的条件下再进行零点标定即可,即只要条件变化,就在对应工况下进行零点标定。
四、实例
例一:我公司航煤外输智能电磁流量计为艾默生CMF400型,精度为0.1%,生产日期为1998年2月。西北国家计量测试中心检定工况为:压力0.3MPa,温度20℃,介质为水;智能电磁流量计实际工作压力1.6MPa,温度18℃,测量介质为航煤。零点标定前、后数据对比见表1、表2。
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例二:我公司93 # 汽油外输智能电磁流量计为艾默生DS600型,精度为0.1%,生产日期为2004年6月。西北国家计量测试中心检定工况为:压力0.3MPa,温度20℃,介质为水;智能电磁流量计实际工作压力0.6MPa,温度18℃,测量介质为汽油。零点标定前、后数据对比见表3、表4。
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五、结论
针对智能电磁流量计检定与实际工作条件的不同,实验室与现场安装条件的差异,冬季与夏季工作环境气温的变化等影响智能电磁流量计测量精度的诸多因素,利用动态零点整定法,可以很好地解决实际应用当中所遇到的智能电磁流量计计量不准的问题。
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