影響科氏質(zhì)量流量計性能的因素及解決對策

摘 要:本文分析了影響諧振式科氏質(zhì)量流量計穩(wěn)定性和可靠性的主要干擾因素，給出了消減或抑止這些干擾因素影響的思路與對策，這些對策對提高流量計的整體技術(shù)性能有著重要意義。

關(guān)鍵詞:科氏質(zhì)量流量工作性能計量

中圖分類號:TP2文獻標(biāo)識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(b)-0052-02

1 引言

20世紀(jì)80年代末期，由于我國油品貿(mào)易計量采用“質(zhì)量”結(jié)算，因此科氏質(zhì)量流量計以直接測量介質(zhì)質(zhì)量的特點，得到了快速發(fā)展和普及，目前中石化、中石油等大型石油公司系統(tǒng)內(nèi)的油品管輸交接計量大多采用了科氏質(zhì)量流量計，同時也使得動態(tài)計量模式更加簡捷。雖然質(zhì)量流量計是一種計量準(zhǔn)確、性能相對可靠的計量儀表，但由于我們對其工作特性認(rèn)識和理解的局限，在實際運行過程中仍然會出現(xiàn)一些異常現(xiàn)象，作為計量工作者應(yīng)了解和掌握影響其計量性能的主要因素，并學(xué)會如何利用一些現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和手段提高其運行質(zhì)量，以保障貿(mào)易的公正性，并保護貿(mào)易雙方的經(jīng)濟利益。

科氏質(zhì)量流量計除了可直接測量介質(zhì)的質(zhì)量流量，且受流體粘度、密度、壓力等因素的影響很小外，還有如下兩個顯著特點:

(1)多功能性:可同步測出流體的密度，從而可以解算出體積流量;可解算出雙組分液體各自所占的比例(包括體積流量、質(zhì)量流量以及它們的累計量);我們現(xiàn)在已成功地將此功能擴展到具有一定物理相溶性的雙組分液體的測量中。

(2)信號數(shù)字化:質(zhì)量流量、密度的解算都是直接針對周期信號的，便于與計算機連接構(gòu)成分布式計算機測控系統(tǒng);易于解算出被測流體的瞬時質(zhì)量流量和累計質(zhì)量;也可以同步解算出體積流量及累積量。

基于以往在諧振式傳感器方面多年的實踐經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)的積累，國內(nèi)于上世紀(jì)90年代起探索研究科氏質(zhì)量流量計的有關(guān)問題。目前在科氏質(zhì)量流量計的實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)有許多干擾因素，如耦合振動、非線性振動、流體脈動和安裝應(yīng)力等，這些因素嚴(yán)重制約著科氏質(zhì)量流量計的性能和實用效能。下面就制約科氏質(zhì)量流量計的工作性能的各種因素進行分析，并提出改善或抑止這些制約因素的對策。

2 科氏質(zhì)量流量計的工作原理

科氏質(zhì)量流量計測量部分主要由彈性測量管、激振單元、拾振單元、閉環(huán)自激放大單元等組成，參見圖1。

工作原理為:彈性激振單元維持以彈性測量管為主的敏感元件處于諧振狀態(tài)，測量管作“彎曲主振動”;當(dāng)流體流過振動的測量管時，所產(chǎn)生的“科氏效應(yīng)”使測量管在上述“主振動”的基礎(chǔ)上，產(chǎn)生直接與所流過的“質(zhì)量流量”相關(guān)的“扭轉(zhuǎn)副振動”，通過檢測測量管的“復(fù)合振動”就可以直接得到流體的質(zhì)量流量。顯然，科氏質(zhì)量流量計能夠穩(wěn)定、可靠地工作，關(guān)鍵是要保證處于理想的振動狀態(tài)，即在實際應(yīng)用中要抑制或盡可能減小其所受的影響。

3 干擾因素影響機制的分析

傳感器工作過程中，敏感結(jié)構(gòu)的振動能量很容易通過其邊界結(jié)構(gòu)傳遞到傳感器的機箱上和管路上，從而引起傳感器振動狀態(tài)的不穩(wěn)定:輕則降低傳感器的精度，重則導(dǎo)致傳感器工作失效。因此，首先要解決諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的穩(wěn)定性問題，即必須從傳感器(特別是復(fù)合敏感部分)自身的整體結(jié)構(gòu)特征，信號流傳輸，能量相互轉(zhuǎn)化過程等來揭示、掌握科氏質(zhì)量流量計干擾因素產(chǎn)生的途徑與規(guī)律。諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的工作模式，決定了其連接底板與彈性彎管復(fù)合敏感在空間上是正交連接的，這對敏感結(jié)構(gòu)的彎曲主振動的隔振(解耦)是不利的，也即非常容易引起傳感器結(jié)構(gòu)的“耦合振動”。這樣外部隨機的干擾振動能量就會傳到傳感器的敏感結(jié)構(gòu)上，使其正常的固有振動特性發(fā)生變化。

由于該質(zhì)量流量傳感器自身為復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，維持傳感器工作的激勵主振動與由于科氏效應(yīng)誘發(fā)出來的測量副振動疊加在一起，形成復(fù)合振動。復(fù)合振動本質(zhì)上屬于非線性振動的范疇。而在測量過程中，被測流體的形態(tài)變化較大，因此，將導(dǎo)致激勵主振動信號與測量副振動信號相互影響程度發(fā)生較大的變化。特別是液態(tài)流體在傳輸過程中，具有一定的脈動性。脈動的流體相當(dāng)于被測的流體質(zhì)量流量處于一種特殊的動態(tài)，這樣諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器在使用過程中，脈動流體將會影響科氏質(zhì)量流量傳感器的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的固有振動頻率和振型。此外，科氏質(zhì)量流量計在使用過程中，由于通過連接法蘭安裝時，非常容易引起一定量值的安裝應(yīng)力。安裝應(yīng)力將有可能產(chǎn)生對流量傳感器復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)振動特性的影響。上述這些引起傳感器敏感結(jié)構(gòu)及其振動特性變化的因素，實際上就是影響傳感器的工作性能的主要干擾因素。

4 影響計量性能的主要因素和解決對策

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化

基于上述分析，應(yīng)當(dāng)著重解決影響科氏質(zhì)量流量計工作穩(wěn)定性和可靠性的有關(guān)干擾因素對傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的干擾機理。這就要從傳感器雙彈性彎管與激勵單元的連接方式、彈性彎管上的定距板實現(xiàn)方式、分流器(匯流器)、連接底板、保護外殼體以及法蘭連接件等多個環(huán)節(jié)進行深入研究和優(yōu)化設(shè)計。

(1)激勵單元連接方式與定距板連接方式的優(yōu)化設(shè)計:諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的激勵單元是保證其連續(xù)工作的基礎(chǔ)，質(zhì)量流量傳感器的敏感結(jié)構(gòu)中有一對完全對稱的彈性彎管，它們在工作時應(yīng)處于同步的、對稱的反向振動。因此重點研究激勵單元連接方式以及相應(yīng)的激勵方式對復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的影響;在此基礎(chǔ)上對連接復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的激勵單元進行了優(yōu)化設(shè)計。定距板也是影響復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一，同時也對傳感器的測量靈敏度有著較大的影響。因此應(yīng)在綜合考慮傳感器的測量靈敏度和工作穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上對定距板的連接方式進行優(yōu)化設(shè)計。

(2)分流器(匯流器)結(jié)構(gòu)及其連接方式的優(yōu)化設(shè)計:以復(fù)合彈性彎管敏感結(jié)構(gòu)固有振動特性不受外界干擾影響為出發(fā)點，深入研究分流器(匯流器)結(jié)構(gòu)及其連接方式對質(zhì)量流量測量過程的影響。

(3)連接底板、保護外箱體結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計:諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的工作模式對敏感結(jié)構(gòu)的彎曲主振動的隔振是不利的。工程應(yīng)用與試驗研究表明:傳感器的保護外箱體存在著與復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的耦合諧振現(xiàn)象。這一耦合諧振現(xiàn)象正是引起傳感器測量誤差以及工作不穩(wěn)定的重要表現(xiàn)形式。為此我們提出了正交連接的“柔性實現(xiàn)”的新思路，并進行了大量的試驗研究。試驗研究結(jié)果表明:所提出的“柔性連接”的新思路以及具體的實現(xiàn)方案連同上述其他相關(guān)的技術(shù)措施能夠大大降低諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的“內(nèi)部耦合振動”，同時也有效地降低了安裝應(yīng)力對傳感器性能的影響。

4.2 安裝應(yīng)力

在質(zhì)量流量計的安裝過程中，如果流量計的傳感器法蘭與管道的中心軸沒有對準(zhǔn)(即傳感器法蘭與管道法蘭不平行)或管道溫度發(fā)生改變，管道所產(chǎn)生的應(yīng)力會形成壓力、扭力或拉力而作用到質(zhì)量流量計的測量管上，引起檢測探頭的不對稱性或變形，從而導(dǎo)致零點漂移，造成計量誤差。解決辦法:

(1)流量計安裝時嚴(yán)格遵守規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。

(2)流量計安裝完畢后，用手操器調(diào)出“調(diào)零菜單” 并記錄出廠零點預(yù)設(shè)值，調(diào)零完畢后在觀察此時零點值，如果兩值之間差異較大(兩值要保證在一個數(shù)量級)，則說明安裝應(yīng)力較大，應(yīng)重新安裝。

4.3 環(huán)境振動及電磁干擾

質(zhì)量流量計正常工作時，測量管是處于振動狀態(tài)的，并且對外來振動非常敏感。如果在同一支撐平臺上或附近區(qū)域存在其他振動源，振動源的振動頻率會與質(zhì)量流量計測量管的自身工作振動頻率互相影響，引起流量計的異常振動和零點漂移，造成計量誤差，嚴(yán)重時會導(dǎo)致流量計無法工作;同時由于傳感器是通過激勵線圈使測量管產(chǎn)生振動，如果流量計附近有較大的磁場干擾，也會對測量結(jié)果造成較大影響。

解決辦法:目前隨著質(zhì)量流量計的制作工藝和技術(shù)的不斷提高，但這并不能從根本上消除干擾，因此質(zhì)量流量計在設(shè)計安裝時應(yīng)遠(yuǎn)離大型變壓器、電動機等產(chǎn)生較大磁場的設(shè)備，防止干擾其激勵磁場。當(dāng)無法避免振動干擾時，采取與振動管間用柔性管連接或隔離振動的支撐架等措施，使流量計與振動干擾源隔離。

4.4 測量介質(zhì)壓力的影響

當(dāng)操作壓力與檢定壓力相差較大時，由于測量介質(zhì)壓力的變化會影響測量管繃緊程度和布登效應(yīng)的程度，破壞測量管的對稱性，從而引起傳感器流量和密度的測量靈敏度改變，對于要求高準(zhǔn)確度計量的地方，這一點還是不能忽視的。

解決辦法:我們可以通過對質(zhì)量流量計進行壓力補償和帶壓零點調(diào)校來消除或減少這一影響。其中壓力補償?shù)慕M態(tài)有兩種方法:

(1)如果操作壓力是一個已知的固定值，則可以在質(zhì)量流量計變送器上輸入外部壓力值進行補償。

(2)如果操作壓力變化較為顯著，可以進行質(zhì)量流量計變送器組態(tài)，來輪詢一個外部壓力測量設(shè)備，通過此外部壓力測量設(shè)備獲得實時動態(tài)壓力值進行補償。注意:在組態(tài)壓力補償時，必須提供流量檢定壓力。

4.5 測量介質(zhì)密度與粘度的影響

測量介質(zhì)密度的變化會直接影響流量測量系統(tǒng)，從而使流量傳感器的平衡發(fā)生變化，引起零點偏移;而介質(zhì)粘度會改變系統(tǒng)的阻尼特性，導(dǎo)致零點偏置。

解決辦法:盡量使用在測量單一或幾種密度差異不大的介質(zhì)。

4.6 測量管損蝕

質(zhì)量流量計的使用中，由于流體的腐蝕、外界的應(yīng)力、異物進人等作用，對測量管直接造成損蝕，影響測量管的性能，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)確。

解決辦法:流量計前端建議安裝相應(yīng)的過濾器，以防止異物進入;安裝時盡量減小安裝應(yīng)力。另外，增加壁厚會使管子更具有剛性，也增加了活動時管子的固定質(zhì)量，減少了流體中夾雜氣體時，由于其分布的不均勻引起比重變化對管子振動的影響，同時增強了流量管的耐壓、耐磨性，但會降低系統(tǒng)彈性，影響測量的靈敏性。

5 結(jié)語

對于如何進一步提高科氏質(zhì)量流量計的技術(shù)性能，如何更好地使用科氏質(zhì)量流量計，使其在過程控制或計量領(lǐng)域中更好地發(fā)揮突出作用，我們依然在理論和實踐中不斷地進行著探索和改進。

參考文獻

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