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浅析质量流量计的零点不稳定度

作者:江苏创辉自动化仪表有限公司
科氏力质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中,产生与质量流量成正比的科氏力的原理制造的直接式质量流量仪表。这种流量计的开发始于20世纪50年代,70年代中期由美国高准( Micro Motion)公司首先推向市场,到80年代中后期各国仪表厂相继开发,迄今世界上已有40家以上仪表制造厂推出各种结构的科氏力质量流量计,我国目前有接近10家企业在生产。兰州石化公司已经使用了大约1000余台质量流量计,这些流量计大多数使用状况良好,但也有少部分存在问题。
 
科氏力质量流量计的优缺点
科氏力质量流量计直接测量质量流量,有较高的测量精确度。它可测量的流体种类较多,如高黏度的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体等。科氏力质量流量计的测量管的振动幅小,可视作非活动件,测量管路内无阻碍件和活动件,对管路的压损小,运行寿命长。它对流速分布不敏感,因而对上下游直管段基本无要求。测量值对流体黏度不敏感,流体密度、温度变化对测量值的影响微小。可做多参数测量,如同时测量密度、温度,也可以分析混合介质中不同介质浓度。
科氏力质量流量计不能用于测量低压气体,液体中含气量超过某一限制(按型号而异)会显著影响测量结果。科氏力质量流量计对外界振动干扰较为敏感,为防止管道振动影响,科氏力质量流量计的流量传感器安裝固定要求较高,某些型号的质量流量计对安装有特殊的要求。不能用于较大管径,目前尚局限于150mm/200mm以下。测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度,尤其对薄壁测量管的科氏力质量流量计更为显著。
 
科氏力质量流量计零点不确定度产生的原因及分析
科氏力质量流量计的技术指标有很多项,其中有大家都熟悉的流量准确度、密度、温度准确度等,但也存在对某些重要参数不重视或不熟悉现象,这造成了对科氏力质量流量计性能了解的不完整,给选型和使用带来很大的影响,这些参数中zui容易被忽视的是质量流量计的零点不稳定指标。科氏力质量流量计属于振动型流量计,当振动管中有介质流动时,由于科氏力作用在测量管上各点的力不同,所引起的位移也各不相同,因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量这个扭曲的过程在不同点上的相位差,就可得到流过测量管的流体的质量流量。
科氏力质量流量计零点不稳定误差主要来自流量传感器部分,原因有两个:机械振动的非对称性和衰减、流体的密度黏度变化。影响前者的因素有:①管端固定应力;②振动管刚度的变化;③双管谐振频宰不一致性;④管壁材料的内衰减。影响后者的因素主要是结构不平衡,因此即使在空管时将双管的谐振频率调整一致,到充满液体时仍可能产生零漂,即零点不稳定误差,同样因黏度引起的振动衰减与频率有关,在流动时亦可能产生零点不确定度误差。
传感器在制造完毕后,如果安装状况良好,其零点不稳定度在一定的条件下是一个确定的范围值(误差带)。各生产厂家在技术指标中对零点不确定度基本都有描述,表1是收集的各厂家DN50口径流量计的不确定度数据。
从这些生产厂家的技术指标中可以看出,每个流量计生产厂家的流量计零点不确定度基本上反映了该生产厂家的技术水平和产品质量水平。
质量流量计检定规程和各生产厂家都以“量程误差加零点不稳定度”的方式表达科氏力质量流量计的基本误差。一般科氏力质量流量计的测量允许zui大绝对误差Eg为
Eg=±Ex+Q+Q0            (1)
式中Eg-绝对误差
Ex-准确度;
Q0-零点不稳定度
Q-流量。
流量测量相对误差E为:
E=[(±Ex×Q+Q0)x100%]/Q            (2)
这种表达方式初看上去准确度很高,但计t入零点不稳定度后,准确度并不怎么高。实际上在低流量或接近下限流量时,误差较大,基本误差常超过量程误差一倍以上,选用时应予注意。
例:一台D150型科氏力质量流量计,该流量计为0.2级质量流量计,测量范同0-38.1t/h,该流量计的零点不稳定度为9kg/h,当工作在3t/h和18t/h的瞬时流量时,其测量的zui大允许绝对误差和相对误差计算如下:
Eg(3)=±0.002×3000+9=±15kg/h            (3)
Eg(18)=±0.002x18000+9=±45kg/h        (4)
E(3)=±15/3000×100=±0.50%                 (5)
E(18)=±45/18000x100=±0.25%             (6)
从上面的计算可知,科氏力质量流量计运行在中下流量值时,它的允许误差远高于它的准确度等级计算出的允许误差,这时零点不确定度是误差的主要来源。科氏力质量流量计的测量允许误差可以
用图1表示。
由图1中看出,20%以上流量时影响不显著;10%以下时零点不稳定度的影响逐渐突出;在流量接近零时相对误差接近无穷大。因此,在流量计选型时应充分注意到这一点,否则不会获得满意的测量结果。
零点不稳定度主要来源于传感器,传感器在设计优化、选材、制造工艺、调试时已决定了该值的大小,对科氏力质量流量计来说零点不稳定度难以避免,误差是绝对的,准确是相对的。零点不稳定度是体现一台流量计质量好坏的重要参数。可靠和良好的安装,使传感器有一个较好的边界工作条件,较好地解决因同轴对准、温度、压力、振动等环境因素产生的管道应力而引起的零点偏移问题。好的安装是保证应有准确度的重要条件之一,能保证流量计的零点不确定度误差在一定的范围之内。不好的安装,将扩大零点不稳定度所带来的影响,也不能得到一个相对稳定的零点。
质量流量计的零校准从原则上讲并不能改变产品的零点不稳定度,零校准实际上是在一段时间内对综合零点不确定度误差求平均值,但它不能消除无规则信号的幅度。
由于零点不稳定度的存在,为保证质量流量计累计量的准确性,在流量状态的设置方面无一例外地加有小流量切除功能,即设置阀值流量。其功能是当流量小于设置的阀值流量时,不进行流量显示和累计。这是质量流量计对付零点不稳定度的策略之一。阀值流量一般在0.1%~1%之间,也可根据不同介质或环境需要设置。
 
结语
科氏力质量流量计是一种很好的流量测量仪表,零点不确定度是它的一个非常重要的技术指标,真实的反应了科氏力质量流量计的技术水平,因此,在选型和使用中一定要对此参数引起足够的重视,对每台每种型号的科氏力质量流量计做出客观评价。同时在安装使用过程中要尽量满足厂家的安装技术要求,只有充分的考虑了这些要求,才能保证流量计具有良好的计量性能。
 
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