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        淺析質量流量計的零點不穩定度

        作者:江蘇創輝自動化儀表有限公司
        科氏力質量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉系中,產生與質量流量成正比的科氏力的原理制造的直接式質量流量儀表。這種流量計的開發始于20世紀50年代,70年代中期由美國高準( Micro Motion)公司首先推向市場,到80年代中后期各國儀表廠相繼開發,迄今世界上已有40家以上儀表制造廠推出各種結構的科氏力質量流量計,我國目前有接近10家企業在生產。蘭州石化公司已經使用了大約1000余臺質量流量計,這些流量計大多數使用狀況良好,但也有少部分存在問題。
         
        科氏力質量流量計的優缺點
        科氏力質量流量計直接測量質量流量,有較高的測量精確度。它可測量的流體種類較多,如高黏度的各種液體、含有固形物的漿液、含有微量氣體的液體、有足夠密度的中高壓氣體等??剖狭|量流量計的測量管的振動幅小,可視作非活動件,測量管路內無阻礙件和活動件,對管路的壓損小,運行壽命長。它對流速分布不敏感,因而對上下游直管段基本無要求。測量值對流體黏度不敏感,流體密度、溫度變化對測量值的影響微小??勺龆鄥禍y量,如同時測量密度、溫度,也可以分析混合介質中不同介質濃度。
        科氏力質量流量計不能用于測量低壓氣體,液體中含氣量超過某一限制(按型號而異)會顯著影響測量結果??剖狭|量流量計對外界振動干擾較為敏感,為防止管道振動影響,科氏力質量流量計的流量傳感器安裝固定要求較高,某些型號的質量流量計對安裝有特殊的要求。不能用于較大管徑,目前尚局限于150mm/200mm以下。測量管內壁磨損腐蝕或沉積結垢會影響測量精確度,尤其對薄壁測量管的科氏力質量流量計更為顯著。
         
        科氏力質量流量計零點不確定度產生的原因及分析
        科氏力質量流量計的技術指標有很多項,其中有大家都熟悉的流量準確度、密度、溫度準確度等,但也存在對某些重要參數不重視或不熟悉現象,這造成了對科氏力質量流量計性能了解的不完整,給選型和使用帶來很大的影響,這些參數中zui容易被忽視的是質量流量計的零點不穩定指標??剖狭|量流量計屬于振動型流量計,當振動管中有介質流動時,由于科氏力作用在測量管上各點的力不同,所引起的位移也各不相同,因此在測量管上形成一個附加的扭曲。測量這個扭曲的過程在不同點上的相位差,就可得到流過測量管的流體的質量流量。
        科氏力質量流量計零點不穩定誤差主要來自流量傳感器部分,原因有兩個:機械振動的非對稱性和衰減、流體的密度黏度變化。影響前者的因素有:①管端固定應力;②振動管剛度的變化;③雙管諧振頻宰不一致性;④管壁材料的內衰減。影響后者的因素主要是結構不平衡,因此即使在空管時將雙管的諧振頻率調整一致,到充滿液體時仍可能產生零漂,即零點不穩定誤差,同樣因黏度引起的振動衰減與頻率有關,在流動時亦可能產生零點不確定度誤差。
        傳感器在制造完畢后,如果安裝狀況良好,其零點不穩定度在一定的條件下是一個確定的范圍值(誤差帶)。各生產廠家在技術指標中對零點不確定度基本都有描述,表1是收集的各廠家DN50口徑流量計的不確定度數據。
        從這些生產廠家的技術指標中可以看出,每個流量計生產廠家的流量計零點不確定度基本上反映了該生產廠家的技術水平和產品質量水平。
        質量流量計檢定規程和各生產廠家都以“量程誤差加零點不穩定度”的方式表達科氏力質量流量計的基本誤差。一般科氏力質量流量計的測量允許zui大絕對誤差Eg為
        Eg=±Ex+Q+Q0            (1)
        式中Eg-絕對誤差
        Ex-準確度;
        Q0-零點不穩定度
        Q-流量。
        流量測量相對誤差E為:
        E=[(±Ex×Q+Q0)x100%]/Q            (2)
        這種表達方式初看上去準確度很高,但計t入零點不穩定度后,準確度并不怎么高。實際上在低流量或接近下限流量時,誤差較大,基本誤差常超過量程誤差一倍以上,選用時應予注意。
        例:一臺D150型科氏力質量流量計,該流量計為0.2級質量流量計,測量范同0-38.1t/h,該流量計的零點不穩定度為9kg/h,當工作在3t/h和18t/h的瞬時流量時,其測量的zui大允許絕對誤差和相對誤差計算如下:
        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)
        從上面的計算可知,科氏力質量流量計運行在中下流量值時,它的允許誤差遠高于它的準確度等級計算出的允許誤差,這時零點不確定度是誤差的主要來源??剖狭|量流量計的測量允許誤差可以
        用圖1表示。
        由圖1中看出,20%以上流量時影響不顯著;10%以下時零點不穩定度的影響逐漸突出;在流量接近零時相對誤差接近無窮大。因此,在流量計選型時應充分注意到這一點,否則不會獲得滿意的測量結果。
        零點不穩定度主要來源于傳感器,傳感器在設計優化、選材、制造工藝、調試時已決定了該值的大小,對科氏力質量流量計來說零點不穩定度難以避免,誤差是絕對的,準確是相對的。零點不穩定度是體現一臺流量計質量好壞的重要參數??煽亢土己玫陌惭b,使傳感器有一個較好的邊界工作條件,較好地解決因同軸對準、溫度、壓力、振動等環境因素產生的管道應力而引起的零點偏移問題。好的安裝是保證應有準確度的重要條件之一,能保證流量計的零點不確定度誤差在一定的范圍之內。不好的安裝,將擴大零點不穩定度所帶來的影響,也不能得到一個相對穩定的零點。
        質量流量計的零校準從原則上講并不能改變產品的零點不穩定度,零校準實際上是在一段時間內對綜合零點不確定度誤差求平均值,但它不能消除無規則信號的幅度。
        由于零點不穩定度的存在,為保證質量流量計累計量的準確性,在流量狀態的設置方面無一例外地加有小流量切除功能,即設置閥值流量。其功能是當流量小于設置的閥值流量時,不進行流量顯示和累計。這是質量流量計對付零點不穩定度的策略之一。閥值流量一般在0.1%~1%之間,也可根據不同介質或環境需要設置。
         
        結語
        科氏力質量流量計是一種很好的流量測量儀表,零點不確定度是它的一個非常重要的技術指標,真實的反應了科氏力質量流量計的技術水平,因此,在選型和使用中一定要對此參數引起足夠的重視,對每臺每種型號的科氏力質量流量計做出客觀評價。同時在安裝使用過程中要盡量滿足廠家的安裝技術要求,只有充分的考慮了這些要求,才能保證流量計具有良好的計量性能。
         
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