摘要：本文對質(zhì)量流量的工作原理進(jìn)行了摘要分析，并對影響質(zhì)量流量計(jì)精度的因素及修正做了闡述。
關(guān)鍵字： 質(zhì)量流量計(jì)測量精度因素修正
1 概述
質(zhì)量流量計(jì)是一種測量精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的流量測量儀表，它可以直接測量流體的質(zhì)量流量。隨著社會經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展，質(zhì)量流量計(jì)越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場計(jì)量和貿(mào)易結(jié)算。目前，貿(mào)易結(jié)算用質(zhì)量流量計(jì)絕大部分都是艾默生公司的產(chǎn)品。很多人會認(rèn)為，質(zhì)量流量計(jì)測量的是質(zhì)量流量，其測量精度與被測介質(zhì)的溫度、壓力無關(guān)，這種看法實(shí)際上并不準(zhǔn)確。下面我們來作一個(gè)初步的探討。
2 質(zhì)量流量計(jì)的工作原理
當(dāng)一根管子繞著原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)時(shí)，讓一個(gè)質(zhì)點(diǎn)從原點(diǎn)通過管子向外端流動(dòng)，即質(zhì)點(diǎn)的線速度由零受逐漸加大，也就是說質(zhì)點(diǎn)被賦予能量，隨之產(chǎn)生的反作用力Fc將使管子的旋轉(zhuǎn)速度減緩，即管子運(yùn)動(dòng)發(fā)生滯后。相反，讓一個(gè)質(zhì)點(diǎn)從外端通過管子向原點(diǎn)流動(dòng)，即質(zhì)點(diǎn)的線速度由大逐漸減小趨向于零，也就是說質(zhì)點(diǎn)的能量被釋放出來，隨之而產(chǎn)生的反作用力Fc將使管子的旋轉(zhuǎn)速度加快，即管子運(yùn)動(dòng)發(fā)生超前。這種能使旋轉(zhuǎn)的管子運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生超前或滯后的力Fc就稱為科氏力（見圖1）。
圖1 管子繞著原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的科氏力示意圖
將繞著同一根軸線以同相位旋轉(zhuǎn)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(dāng)管子內(nèi)沒有質(zhì)點(diǎn)流過時(shí)，連接管與軸是平行的，而當(dāng)管子內(nèi)有質(zhì)點(diǎn)流過時(shí)，由于科氏力的作用，兩根旋轉(zhuǎn)管發(fā)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(jīng)管子的流體質(zhì)量的大小。這就為利用科氏力直接測量流體的質(zhì)量流量奠定了理論基礎(chǔ)。
圖2 流體流過U形管的科氏力示意圖
不斷旋轉(zhuǎn)著的管子只能在實(shí)驗(yàn)室里做模型，而不能用于實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場。我們將管子的圓周運(yùn)動(dòng)切割下一段圓弧，使管子在圓弧內(nèi)反復(fù)旋轉(zhuǎn)，即將單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變成雙向振動(dòng)，而在有流量時(shí)就變成反復(fù)扭動(dòng)。要實(shí)現(xiàn)管子振動(dòng)是非常方便的，即用激磁電流進(jìn)行激勵(lì)。而在管子兩端利用電磁感應(yīng)分別取得正弦號1和2，兩個(gè)正弦號相位差的大小就直接反映出質(zhì)量流量的大小（見圖3）。
測量原理可用公式表達(dá)：
Fc=2·△m（ω·υ）
式中Fc——作用在測量管上的科氏力；△m——移動(dòng)的物體；ω——角速度；υ——旋轉(zhuǎn)或震蕩系統(tǒng)中的徑向速度。
圖3 振動(dòng)相位差示意圖
很容易看出科氏力的大小取決于移動(dòng)的物體（△m），其在系統(tǒng)中的速度（υ），因而是質(zhì)量流量的函數(shù)。
3 影響質(zhì)量流量計(jì)測量精度的因素及修正
影響質(zhì)量流量計(jì)測量精度的因素有很多，如儀表的基本誤差、零點(diǎn)穩(wěn)定度、重復(fù)性誤差等，這些誤差可以從質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)和制造方面來修正。另外，質(zhì)量流量計(jì)在安裝和使用過程中也會產(chǎn)生一定的誤差，如工藝溫度過高、工藝壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于檢定壓力或周圍環(huán)境強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)等，都會影響質(zhì)量流量計(jì)的測量精度。
3.1 機(jī)械振動(dòng)的影響及修正從質(zhì)量流量計(jì)的工作原理中我們知道，它是基于振動(dòng)的原理進(jìn)行測量的儀表它以自身的頻率振動(dòng)。流經(jīng)流量管的流體引起測量管扭曲，且扭曲的程度與質(zhì)量流量大小成正比。而外界的機(jī)械振動(dòng)所產(chǎn)生的諧振波勢必會干擾儀表自有的振動(dòng)幅度和頻率，影響測量的精度，嚴(yán)重時(shí)甚至還會損壞儀表。
為消除機(jī)械振動(dòng)對儀表精度造成的影響，我們應(yīng)在安裝和使用維護(hù)方面加以注意。
首先，安裝的地點(diǎn)應(yīng)盡量選擇在沒有機(jī)械振動(dòng)的地方，遠(yuǎn)離泵房、機(jī)組等振動(dòng)源。盡量避免在同一管道上安裝兩臺或以上的傳感器，因?yàn)闇y量管振動(dòng)會使各質(zhì)量流量計(jì)之間相互影響，產(chǎn)生干擾而引起異常振動(dòng)，影響儀表工作。
其次，要規(guī)范儀表安裝。采用無應(yīng)力安裝，安裝時(shí)將直管直接先固定在支撐架上，裝上流量計(jì)的連接件，將直管按應(yīng)有的長度割開， 將流量計(jì)無壓力焊接吊裝；或?qū)⒐に嚬艿琅c法蘭正確對準(zhǔn)，保持同軸以減小應(yīng)力，并設(shè)置固定支撐架，避免儀表在較長管線上振蕩。但支撐架應(yīng)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(shí)產(chǎn)生的相位差就會出現(xiàn)偏差，從而影響測量結(jié)果，尤其對大口徑流量計(jì)，因其振動(dòng)幅度大，后果更嚴(yán)重。
在不能避免傳感器在同一管道中串聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)向廠家提出錯(cuò)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(shè)置獨(dú)立的支撐架。
在傳感器附近工藝管線上有閥門或泵時(shí)，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(shí)間或較弱的振動(dòng)，可通過增加阻尼系數(shù)來進(jìn)行修正。阻尼系數(shù)可以通過275通訊器修改，一般設(shè)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(zhì)體積的變化，但不會影響測量結(jié)果，因?yàn)闊o論溫度如何變化質(zhì)量總是守恒的。但溫度的變化會影響測量管剛性與零點(diǎn)穩(wěn)定度，從而影響質(zhì)量流量計(jì)的測量精度。
溫度的變化對測量管剛度的改變在于：當(dāng)溫度升高時(shí)，測量管的材質(zhì)會變軟，反之則變硬，科氏力產(chǎn)生的扭曲量也因此受影響。但流量管剛性具有重復(fù)性且可修復(fù)。一般質(zhì)量流量計(jì)的傳感器內(nèi)都安裝有RTD溫度傳感器，可進(jìn)行溫度測量并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。如艾默生的質(zhì)量流量計(jì)，其測量管剛性隨溫度的變化可以用溫度系數(shù)T來修正。
但溫度變化對零點(diǎn)穩(wěn)定度的影響卻會產(chǎn)生一個(gè)附加誤差，且是非重復(fù)性的。這是由于傳感器的材質(zhì)和幾何結(jié)構(gòu)的不均衡造成的。傳感器的零點(diǎn)不穩(wěn)定是由于介質(zhì)溫度與調(diào)零溫度不一致時(shí)所可能發(fā)生的最大偏移，表現(xiàn)為介質(zhì)溫度從調(diào)零溫度每變化1℃時(shí)流量變化的百分比。在過程溫度與調(diào)零溫度有較大差別時(shí)，誤差將較為顯著。因此，為了減小溫度對零點(diǎn)穩(wěn)定度的影響，可以將儀表在工藝溫度下調(diào)零來實(shí)現(xiàn)。
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(dāng)介質(zhì)壓力升高時(shí)，傳感器測量管材質(zhì)變硬，增強(qiáng)了（測量）振動(dòng)管繃緊效應(yīng)（stiffeningeffect）和彎曲振動(dòng)管的布爾登效應(yīng)（Bourdoneffect）。壓力改變引起傳感器彈性變差和結(jié)構(gòu)尺寸改變，從而影響了流量計(jì)的儀表常數(shù)。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(jì)的影響不僅是介質(zhì)壓力的波動(dòng)對流量計(jì)的影響，更為突出的是工作壓力與標(biāo)定壓力的較大偏差而造成的影響。目前流量計(jì)標(biāo)定站的標(biāo)定壓力一般設(shè)定在0.45MPa左右，但是質(zhì)量流量計(jì)安裝后實(shí)際工作壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于標(biāo)定壓力。當(dāng)工作壓力高于標(biāo)定壓力時(shí)，傳感器振動(dòng)管剛度的輕微變化會導(dǎo)致流量產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向偏差，其幅度與振動(dòng)管的厚度與外徑比有一定的關(guān)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(dòng)管的厚度與外徑比的降低，壓力效應(yīng)還是存在的。
某儀表廠家曾采用實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)裝置對一臺質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)，按照正常的檢定操作規(guī)程安裝好流量計(jì)，設(shè)定好檢定壓力，調(diào)整好流量計(jì)零點(diǎn)后進(jìn)行標(biāo)定操作，完成一次檢定過程后，重新設(shè)定檢定壓力，在新的檢定壓力下再次進(jìn)行標(biāo)定操作，直到完成所有壓力點(diǎn)的測試。表1是對一臺流量計(jì)在不同壓力下的測試數(shù)據(jù)。
表1 壓力對測量精度的影響
從表1可以看出，壓力越大，相對誤差越大。誤差為負(fù)數(shù)，表明流量顯示值偏小。從上面的分析可以看出：壓力對質(zhì)量流量計(jì)測量值的影響是確實(shí)存在的，因此有必要加以修正。儀表廠家在制造質(zhì)量流量計(jì)時(shí)，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(yīng)保持在一個(gè)最佳比例。因此，廠商是無法在制造時(shí)進(jìn)行更多的技術(shù)改進(jìn)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(jìn)行修正，最簡單的方法是由供需雙方約定一個(gè)平均壓力，計(jì)算出補(bǔ)償后的流量系數(shù)，重新在變送器中組態(tài)，或根據(jù)流量系數(shù)的變化確定一個(gè)平均流量計(jì)系數(shù)直接對流量計(jì)結(jié)果進(jìn)行修正，這在壓力波動(dòng)不大的情況下是可以采用的。但是較科學(xué)和準(zhǔn)確的辦法是在計(jì)量點(diǎn)配備壓力變送器，將壓力變送器測得的信號引入質(zhì)量流量計(jì)變送器中，由質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)接收到的信號進(jìn)行自動(dòng)壓力補(bǔ)償。
無論采取何種壓力修正方法，變送器都是根據(jù)以下公式進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算的：K=Kcal·[1-Kp·（Pmeas-Pcal）]。
式中K——經(jīng)過壓力補(bǔ)償后的流量系數(shù)；Kcal——流量計(jì)出廠或安裝前離線標(biāo)定的流量系數(shù)；Kp——不同型號傳感器單位壓力變化補(bǔ)償系數(shù)（見表2）；Pmeas——流量計(jì)工作壓力（表壓），Pa；Pcal——流量計(jì)離線標(biāo)定時(shí)壓力（表壓），Pa。
式中Kp·（Pmeas-Pcal）得到的是工作壓力偏離標(biāo)定壓力時(shí)的測量誤差，表明偏離值越大，誤差就越大。當(dāng)工作壓力較為穩(wěn)定時(shí)，可以采用確定一個(gè)固定值直接對變送器組態(tài)的方法修正測量誤差；當(dāng)工作壓力波動(dòng)較大時(shí)，建議采用加裝壓力變送器在線測量壓力的方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。
表2 不同型號傳感器壓力效應(yīng)系數(shù)
