對影響質量流量計精度的因素及修正的初步探討

摘要：本文對質量流量的工作原理進行了摘要分析，并對影響質量流量計精度的因素及修正做了闡述。

關鍵詞：質量流量計 測量精度 因素 修正

1 概述

質量流量計是一種測量精度高，運行穩定可靠的流量測量儀表，它可以直接測量流體的質量流量。隨著社會經濟技術的發展，質量流量計越來越廣泛地應用于現場計量和貿易結算。目前，貿易結算用質量流量計絕大部分都是艾默生公司的產品。很多人會認為，質量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，這種看法實際上并不準確。下面我們來作一個初步的探討。

2 質量流量計的工作原理

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受逐漸加大，也就是說質點被賦予能量，隨之產生的反作用力Fc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，隨之而產生的反作用力Fc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Fc就稱為科氏力（見圖1）。

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（見圖2）。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。這就為利用科氏力直接測量流體的質量流量奠定了理論基礎。

不斷旋轉著的管子只能在實驗室里做模型，而不能用于實際生產現場。我們將管子的圓周運動切割下一段圓弧，使管子在圓弧內反復旋轉，即將單向旋轉運動變成雙向振動，而在有流量時就變成反復扭動。要實現管子振動是非常方便的，即用激磁電流進行激勵。而在管子兩端利用電磁感應分別取得正弦號1和2，兩個正弦號相位差的大小就直接反映出質量流量的大小（見圖3）。

測量原理可用公式表達：

Fc=2·△m(ω·υ)

式中Fc——作用在測量管上的科氏力；△m——移動的物體；ω——角速度；υ——旋轉或震蕩系統中的徑向速度。

很容易看出科氏力的大小取決于移動的物體（△m），其在系統中的速度（υ），因而是質量流量的函數。

3 影響質量流量計測量精度的因素及修正

影響質量流量計測量精度的因素有很多，如儀表的基本誤差、零點穩定度、重復性誤差等，這些誤差可以從質量流量計的設計和制造方面來修正。另外，質量流量計在安裝和使用過程中也會產生一定的誤差，如工藝溫度過高、工藝壓力遠遠高于檢定壓力或周圍環境強烈的機械振動等，都會影響質量流量計的測量精度。

3.1 機械振動的影響及修正 從質量流量計的工作原理中我們知道，它是基于振動的原理進行測量的儀表它以自身的頻率振動。流經流量管的流體引起測量管扭曲，且扭曲的程度與質量流量大小成正比。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，我們應在安裝和使用維護方面加以注意。

首先，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。盡量避免在同一管道上安裝兩臺或以上的傳感器，因為測量管振動會使各質量流量計之間相互影響，產生干擾而引起異常振動，影響儀表工作。

其次，要規范儀表安裝。采用無應力安裝，安裝時將直管直接先固定在支撐架上，裝上流量計的連接件，將直管按應有的長度割開，將流量計無壓力焊接吊裝；或將工藝管道與法蘭正確對準，保持同軸以減小應力，并設置固定支撐架，避免儀表在較長管線上振蕩。但支撐架應安裝在儀表兩端法蘭外的管線上，否則如果直接支撐于儀表本身會影響其自由振蕩，振蕩時產生的相位差就會出現偏差，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。

在不能避免傳感器在同一管道中串聯使用時，應向廠家提出錯開接近儀表的共振頻率值，或拉開傳感器的安裝距離，分別設置獨立的支撐架。

在傳感器附近工藝管線上有閥門或泵時，都需要有它自己的支撐物，不能用傳感器的安裝底板或工藝過程的連接件來支撐。

對于較短時間或較弱的振動，可通過增加阻尼系數來進行修正。阻尼系數可以通過275通訊器修改，一般設置為5~30秒。

3.2 工藝溫度的影響及修正 工藝溫度的變化會引起介質體積的變化，但不會影響測量結果，因為無論溫度如何變化質量總是守恒的。但溫度的變化會影響測量管剛性與零點穩定度，從而影響質量流量計的測量精度。

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。但流量管剛性具有重復性且可修復。一般質量流量計的傳感器內都安裝有RTD溫度傳感器，可進行溫度測量并進行溫度補償。如艾默生的質量流量計，其測量管剛性隨溫度的變化可以用溫度系數T來修正。

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。這是由于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所可能發生的最大偏移，表現為介質溫度從調零溫度每變化1℃時流量變化的百分比。在過程溫度與調零溫度有較大差別時，誤差將較為顯著。因此，為了減小溫度對零點穩定度的影響，可以將儀表在工藝溫度下調零來實現。

3.3 工藝壓力的影響及修正 工藝壓力的變化與溫度的變化一樣，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，增強了（測量）振動管繃緊效應（stiffening effect）和彎曲振動管的布爾登效應(Bourdon effect)。壓力改變引起傳感器彈性變差和結構尺寸改變，從而影響了流量計的儀表常數。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，口徑越大，影響越大。

壓力對流量計的影響不僅是介質壓力的波動對流量計的影響，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0.45MPa左右，但是質量流量計安裝后實際工作壓力遠遠高于標定壓力。當工作壓力高于標定壓力時，傳感器振動管剛度的輕微變化會導致流量產生一個負向偏差，其幅度與振動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。小口徑的影響幾乎可以忽視，但大口徑隨著振動管的厚度與外徑比的降低，壓力效應還是存在的。

某儀表廠家曾采用實驗的方法，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質量流量計進行試驗，按照正常的檢定操作規程安裝好流量計，設定好檢定壓力，調整好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。表1是對一臺流量計在不同壓力下的測試數據。

從表1可以看出，壓力越大，相對誤差越大。誤差為負數，表明流量顯示值偏小。從上面的分析可以看出：壓力對質量流量計測量值的影響是確實存在的，因此有必要加以修正。儀表廠家在制造質量流量計時，已考慮到壓力對測量精度的影響，通過增加流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，流量管直徑和壁厚應保持在一個最佳比例。因此，廠商是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的。要消除這種影響，還要在使用過程中進行修正，最簡單的方法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計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質量流量計變送器中，由質量流量計根據接收到的信號進行自動壓力補償。

無論采取何種壓力修正方法，變送器都是根據以下公式進行補償計算的：K=Kcal·[1-Kp·(Pmeas-Pcal)]。

式中K——經過壓力補償后的流量系數；Kcal——流量計出廠或安裝前離線標定的流量系數；Kp——不同型號傳感器單位壓力變化補償系數（見表2）；Pmeas——流量計工作壓力（表壓），Pa；Pcal——流量計離線標定時壓力（表壓），Pa。

式中Kp·(Pmeas-Pcal)得到的是工作壓力偏離標定壓力時的測量誤差，表明偏離值越大，誤差就越大。當工作壓力較為穩定時，可以采用確定一個固定值直接對變送器組態的方法修正測量誤差；當工作壓力波動較大時，建議采用加裝壓力變送器在線測量壓力的方法進行動態補償。

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