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      智能電磁流量計

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      動態零點整定法解決智能電磁流量計綜合誤差探析

      來源:作者:發表時間:2019-10-24 08:34:05

      一、智能電磁流量計工作原理
      智能電磁流量計(以下簡稱“智能電磁流量計”)是一種測量精度高、性能穩定可靠的流量測量儀表,與速度式流量計和體積式流量計相比,它可以直接測量流體的質量流量,減少了體積轉質量的繁雜換算過程。隨著社會經濟技術的發展,智能電磁流量計越來越廣泛地應用于現場計量和貿易結算。目前,用于貿易結算的智能電磁流量計主要有艾默生、E+H(恩德斯·豪斯,簡稱“E+H”)、科隆等世界著名公司的產品,國產品牌也如雨后春筍,發展勢頭迅猛,大量應用于企業內部計量。很多人會認為,智能電磁流量計測量的是質量流量,其測量精度與被測介質的溫度、壓力無關,其實這種看法并不科學。
      當一根管子繞著原點旋轉時,讓一個質點從原點通過管子向外端流動,即質點的線速度由零逐漸加大,也就是說質點被賦予能量,隨之產生的反作用力將使管子的旋轉速度減緩,即管子運動發生滯后;相反,讓一個質點從外端通過管子向原點流動,即質點的線速度由大逐漸減小趨向于零,也就是說質點的能量被釋放出來,隨之產生的反作用力將使管子的旋轉速度加快,即管子運動發生超前。這種能使旋轉的管子運動速度發生超前或滯后的力就稱為科里奧利力(簡稱“科氏力”)。
      將繞著同一根軸線以同相位旋轉的兩根相同的管子外端用同樣的管子連接起來形成一條U形管。當管子內沒有質點流過時,連接管與軸是平行的;而當管子內有質點流過時,由于科氏力的作用,兩根旋轉管發生相位差,連接管就不再與軸平行。總而言之,管子的相位差大小取決于管子變形的大小,而管子變形的大小僅僅取決于流經管子的流體質量的大小。這就是利用科氏力測量質量流量工作原理的理論基礎。
      二、影響智能電磁流量計測量精度的因素
      影響智能電磁流量計測量精度的因素有很多,除了流量計本身設計和制造方面的因素外,智能電磁流量計的安裝條件、操作參數及運行環境等也會產生不容忽視的誤差,如安裝連接產生的應力、工作環境中強烈的機械振動、工藝介質溫度過高以及工作壓力遠高于檢定壓力等,都會直接影響智能電磁流量計的測量精度。
      (一)安裝應力的影響及修正流經測量管的流體引起測量管扭曲,其扭曲程度與質量流量大小成正比。如流量計外部安裝存在應力,會直接疊加于測量管上,影響其扭曲程度,顯然測量結果的準確性無法保證。因此,要規范儀表安裝,消除應力。安裝時將直管先固定在支撐架上,裝上流量計的連接件,將直管按規定的長度割開,將流量計無應力吊裝焊接;或將工藝管道與法蘭正確對準,保持同軸同心以減小應力,并設置固定支撐架,避免儀表在較長管線上振動。支撐架應安裝在儀表兩端法蘭外的管線上,如果直接支撐于儀表本身,會影響其振動程度,振蕩時產生的相位差就會引起測量偏差,從而影響測量結果,尤其對大口徑流量計,因其振動幅度大,后果更嚴重。
      (二)機械振動的影響及修正從智能電磁流量計的工作原理可知,它是基于振動的原理進行測量的儀表,而外界的機械振動所產生的諧振波勢必會干擾儀表自有的振動幅度和頻率,影響測量的精度,嚴重時甚至還會損壞儀表。為消除機械振動對儀表精度造成的影響,應在安裝和使用維護方面加以注意。安裝的地點應盡量選擇在沒有機械振動的地方,遠離泵房、機組等振動源;加強工藝管道的固定及支撐,避免機械振動通過管道作用于智能電磁流量計傳感器而產生干擾,引起異常振動,影響儀表正常工作。對于較短時間內或較弱的振動,則可通過增加流量計阻尼系數來進行修正。阻尼系數可以通過專用的通信器修改。
      (三)工藝介質溫度的影響及修正工藝介質溫度的變化會引起介質體積的變化,但不會影響質量測量,因為無論溫度如何變化質量總是守恒的。但從材料力學的角度考慮,溫度的變化會影響測量管剛性與零點穩定度,從而影響智能電磁流量計的測量精度。溫度的變化對測量管剛度的改變在于:當溫度升高時,測量管的材質會變軟,反之則變硬,科氏力產生的扭曲量也因此受影響。但測量管剛性具有重復性且可修復,一般智能電磁流量計的傳感器內都安裝有RTD(電阻溫度探測器,簡稱熱電阻)溫度傳感器,可進行溫度測量并進行溫度補償。但溫度變化對零點穩定度的影響卻會產生一個附加誤差,且是非重復性的。這是由傳感器的材質和幾何結構的不均衡造成的。傳感器的零點不穩定是由于介質溫度與調零溫度不一致時可能發生的最大偏移造成的。在介質溫度與調零溫度有較大差別時,誤差較為顯著。因此,為了減小溫度對零點穩定度的影響,可以通過智能電磁流量計在工藝溫度下調零來實現。
      (四)工作壓力的影響及修正
      工作壓力的變化與溫度的變化一樣,也會引起測量管剛度的改變。當介質壓力升高時,傳感器測量管材質變硬。壓力改變引起傳感器彈性變差和結構尺寸的改變,從而影響了智能電磁流量計的儀表常數。因此,測量管的材料和幾何尺寸決定著壓力對傳感器影響的大小,測量管口徑越大,影響越大。
      壓力對智能電磁流量計的影響不僅是介質壓力的波動對智能電磁流量計的影響,更為突出的是工作壓力與標定壓力的較大偏差而造成的影響。目前流量計標定站的標定壓力一般設定在0.3MPa左右,但是智能電磁流量計一般安裝于供方的輸油泵出口,實際工作壓力遠高于標定壓力。當工作壓力高于標定壓力時,傳感器測量管剛度的輕微變化會導致流量測量值產生一個負向偏差,其幅度與測量管的厚度與外徑比有一定的關系,比值高影響小,比值低則影響大。
      某計量測試中心曾采用試驗的方法測試出壓力變化對儀表測量精度的影響程度。具體方法是利用體積管流量標準裝置對一臺智能電磁流量計進行試驗,按照正常的檢定操作規程安裝好智能電磁流量計,設定好檢定壓力,調整好智能電磁流量計零點后進行標定操作。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標定操作,直到完成所有壓力點的測試。對同一臺智能電磁流量計在不同壓力下進行測試,壓力越大,相對誤差越大,且誤差為負數,表明流量顯示值偏小。從上面的分析可以看出:壓力對智能電磁流量計測量值的影響是確實存在的,因此有必要加以修正。儀表廠家在制造智能電磁流量計時,已考慮到壓力對測量精度的影響,通過增加測量管的壁厚來降低壓力對測量精度的影響,但增加壁厚會降低扭曲靈敏度,而扭曲靈敏度的降低會降低測量精度,所以為了確保測量精度,測量管直徑和壁厚應保持在一個最佳比例。廠商無法在制造時進行更多的技術改進來消除工作壓力對測量精度的影響,要消除這種影響,還要在使用過程中進行修正。方法之一是由供需雙方約定一個平均壓力,計算出補償后的流量系數,重新在變送器中組態,或根據流量系數的變化確定一個平均流量系數直接對流量計結果進行修正,這在壓力波動不大的情況下是可以采用的。但是較科學和準確的辦法是在計量點配備壓力變送器,將壓力變送器測得的信號引入智能電磁流量計變送器中,由智能電磁流量計根據接收到的信號進行自動壓力補償。
      三、動態零點整定法
      上面所述的方法并不是最簡單的途徑,因為平均壓力雖然容易得到,但是計算補償后的流量系數并非易事。市場品牌不一,產品系列多樣,智能化程度參差不齊,很難實現量化,只有通過反復試驗和計算才能得到最科學的數據,工作量很大;配備壓力變送器進行補償,既增加了投入,又增加了維護及檢定等工作量,有的品牌不一定有此技術功能,即便是有此功能,廠家也必須提供補償數學模型。其實一臺流量計安裝到現場后,其工作條件(壓力、溫度、應力等)是基本不變的,即便是在油庫裝車系統,也會在管路中設計壓力自動調節裝置;另外,《智能電磁流量計檢定規程》(JJG 1038—2008)中并未涉及智能電磁流量計壓力修正的問題,故最科學且具有操作性的方法就是動態零點整定法。
      一臺智能電磁流量計自檢定完安裝至現場后,與檢定條件相比,其所受應力、介質溫度、介質壓力都與檢定條件大有不同。但當智能電磁流量計投運后正常工作時,溫度、壓力等參數基本恒定,細微的變化可以忽略不計。當達到穩定工作狀態后,保持壓力穩定,溫度恒定,停泵使表體內充滿介質且完全靜止,此時進行智能電磁流量計零點整定,可以消除所有外在的因素對其測量精度的影響。如工作條件變化,只需在變化后的條件下再進行零點標定即可,即只要條件變化,就在對應工況下進行零點標定。
      四、實例
      例一:我公司航煤外輸智能電磁流量計為艾默生CMF400型,精度為0.1%,生產日期為1998年2月。西北國家計量測試中心檢定工況為:壓力0.3MPa,溫度20℃,介質為水;智能電磁流量計實際工作壓力1.6MPa,溫度18℃,測量介質為航煤。零點標定前、后數據對比見表1、表2。
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      例二:我公司93 # 汽油外輸智能電磁流量計為艾默生DS600型,精度為0.1%,生產日期為2004年6月。西北國家計量測試中心檢定工況為:壓力0.3MPa,溫度20℃,介質為水;智能電磁流量計實際工作壓力0.6MPa,溫度18℃,測量介質為汽油。零點標定前、后數據對比見表3、表4。
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      五、結論
      針對智能電磁流量計檢定與實際工作條件的不同,實驗室與現場安裝條件的差異,冬季與夏季工作環境氣溫的變化等影響智能電磁流量計測量精度的諸多因素,利用動態零點整定法,可以很好地解決實際應用當中所遇到的智能電磁流量計計量不準的問題。
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