压力及流量波动对科氏流量计精度的影响

李睿娣 牛晋元 苏刚琴

(太原太航科技有限公司，山西 太原 030006)



压力及流量波动对科氏流量计精度的影响

李睿娣 牛晋元 苏刚琴

(太原太航科技有限公司，山西 太原 030006)

对科氏流量计的计量精度与压力及流量波动的关系进行了研究。将艾默生CMF200/2700流量计安装在流量检定装置上进行压力及流量波动试验，得到试验结果。采用国产某型号变送器代替艾默生2700变送器，进行了类似试验。试验结果表明，艾默生CMF200/2700流量计在试验过程中检测电压始终不变，计量误差几乎不受压力及流量波动的影响；而CMF200搭配国产某型号变送器的误差则受影响较大。通过分析检测电压与误差的关系，提出了该国产变送器的改进方向。

压力 变送器 流量计 精度 电压 振幅

0 引言

1977年，美国Micro-Motion公司首先推出科氏流量计。该流量计由于能够直接测量流体的质量，流道内无障碍物，且具备测量范围大、精度高等优点而被广泛使用[1]。

通过更多的研究和应用发现：在传感器工作过程中，测量管的振动能量很容易地通过其边界结构传递到传感器外壳或管路，引起传感器振动状态的不稳定[2]；介质的压力、温度变化较大时会影响计量精度[3]；当介质工作压力高于仪表的校准压力时，会造成直管质量流量计测量误差偏大[4]；当操作压力与检定压力相差较大时，会影响测量管绷紧程度和布登效应的程度,引起传感器流量和密度测量的灵敏度的改变[5]；在两相流测量中，测量管固有频率及阻尼比都会随两种介质比例的变化而变化，使传感器振动不稳定甚至出现停振而无法测量[6-8]；现场应用中的工艺条件往往不及检定装置的检定条件，流量及压力波动的情况时常出现，研究压力及流量波动对计量精度的影响，对于要求高精度使用的场合，如贸易交接，具有十分重要的意义。

1 国产流量计检定结果

在0.05级的静态质量法水流量检定装置上，对国产LZLG3000传感器与国产某型号变送器(以下简称国产变送器)进行检定，结果见表1(压力波动与流量波动值均按样本的标准方差公式计算)。流量最大波动为1.68%，压力最大波动为1.09%，精度达0.1级。流量检测段内检测电压变化为9 mV,每一流量点电压变化小于1 mV。

表1 国产流量计检定结果

2 压力及流量波动试验

2.1 CMF200/2700试验

在同一检定装置上对艾默生公司制造的0.1级的科氏流量计(即传感器CMF200与配套变送器2700)进行压力及流量波动检定试验。试验2次且2次试验的仪表系数均保持表内原设定系数不变。试验结果如表2所示。

表2 CMF200/2700压力及流量波动试验

由表2可知，2次试验的精度均达到0.1级，压力波动大的流量点重复性稍差，最大的重复性误差也只超差了0.005%。测量精度几乎不受压力波动及流量波动的影响。

2.2 CMF200配国产变送器试验

在同一检定装置上，使用同一台传感器CMF200，将原2700变送器更换成上述国产变送器进行2次压力及流量波动试验，2次试验的仪表系数相同。试验结果如表3所示。

表3 CMF200配国产变送器压力及流量波动试验

在CMF200传感器配国产变送器的试验中，最大压力波动为12.62%，最大流量波动为10.2%，精度降低为0.2级，重复性误差为0.197%，超差为0.097%；而配艾默生2700变送器试验的最大压力波动为25.31%，最大流量波动为11.81%，计量精度仍能达到0.1级，重复性误差为0.055%，仅超差0.005%。试验结果表明，原配CMF200/2700流量计几乎不受压力波动及流量波动的影响，而CMF200传感器配国产变送器则受压力波动及流量波动的影响显著。由此可见，如变送器不能很好地处理压力及流量波动带来的影响，将会造成误差的增大。

2.3 CMF200配不同变送器的电压参数

在每个流量点，传感器CMF200分别与2700变送器或国产变送器连接，测量其驱动电压及进出口检测电压，结果如表4所示。

表4 CMF200配不同变送器的驱动及检测电压

表4中，艾默生变送器在不同流量点下，进出口两路检测电压UA、UB始终保持90 mV、92 mV不变,而国产变送器进出口两路检测电压UA、UB对应的最大流量点与50%流量点的电压差值最大，分别为9 mV、10 mV；不同流量点下二者的差值不同，变化范围约为2～4 mV；同一流量点下检测电压随流量波动而变化，流量波动较大时，幅值波动约为1～3 mV。

3 压力和流量波动的影响机理

科氏流量计是一种利用流体在振动的测量管中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。传感器测量管在电磁驱动力的作用下，以某一固有频率、在某个振幅下稳定振动(又称主振动)。当有流体流过时，由于测量管进出口段的流速方向不同，进口段与出口段的流体所受科氏力大小相等、方向相反，形成一对力矩，迫使测量管在与原振动垂直的方向发生扭转振动(又称副振动)。副振动叠加在主振动上，其振动频率与主振动的频率ω相同，测量管以频率ω作复合振动。流量标定方程[9]为：

(1)

式中:ω为传感器的主振动固有频率;ωθ为副振动固有频率;K为由测量管几何尺寸确定的量；G为测量管材料的剪切弹性模量；(φ1+φ2)为出、进口两侧检测电压的相位差。

当压力变化较大时，科氏流量计测量管的几何尺寸发生细微变化，同时还有Bourdoneffect发生，使测量管系统的阻尼增大、振动稳定性降低。这将引起系统幅频特性变化，即引起系统的振动频率和幅值比的波动，最终导致计量误差增大。在CMF200配国产变送器的试验中，压力最大为439kPa，最小为192kPa。当压力波动最大为12.62%时，对应的波动幅度只有25kPa，而CMF200的公称压力为4 000kPa，因此压力波动对精度的影响可忽略不计。

图1为主、副振动的位移矢量合成图[9]，Z0是科氏流量计的出口侧与进口侧的检测点A、B处主振动的位移幅值,Z1、Z2分别是A、B点处副振动的位移幅值，ZA、ZB分别为A、B处的合成位移幅值。由于压力波动而引起的流量波动直接反映了相位差的波动，由式(1)可知，相位差测不准必然导致科氏流量计的计量误差增大，而相位差(φ1+φ2)正是图1中ZA、ZB的相位差。根据电磁感应原理，ZA、ZB正比于检测电压UA、UB，因此测量过程中当流量波动较大时，振动幅值波动较大将导致测量误差增大。这与上述试验结果一致。

图1 主、副振动位移矢量合成图

4 结束语

试验与理论分析表明，即使是单向连续满管流体，当流量波动较大较频时，若不能保持传感器振幅不变，其计量精度就会随流量波动而降低。两相流研究中出现的振动不稳定或停振实际上是流量波动的特例。

试验用变送器的驱动电路是模拟电路。在两相流情形下，科氏流量计输出信号的波动既是由气液两相流动的不稳定性造成的，也是由单相流信号处理算法处理两相流测量数据造成的，智能算法无法从根本上解决该问题[10]。牛津大学已研制了包含全数字驱动电路的数字变送器，通过对振动幅值的精确控制及对振动频率的高速追踪，证明其解决了两相流和批料流中计量误差大的问题[11]，这也正是试验中所用变送器的改进方向。

[1] 朱德祥，张廷柱，朱福茂. 流量仪表原理和应用[M].上海:华东化工学院出版社,1992:166-167.

[2] 范尚春.科氏质量流量计的若干干扰因素及其抑止[J].科学技术与工程，2004,4(4):269-271.

[3] 邢建文，关卫红，李伟.质量流量计计量准确度的影响因素[J].中国仪器仪表，2013(9):49-51.

[4] 任建新，谭剑，熊亮,等.基于刚度模型分析流体压力对直管科氏质量流量计的影响.机械科学与技术,2012,31(1):67-70.

[5] 李斌.影响科氏质量流量计性能的因素及解决对策[J].科技创新导报,2011(20):52-53.

[6] HEMP J,YEUNG H,KASSI L.Coriolis meters in two phase condition[J].Computing & Control Engineering Journal,2003,14(4):36.[7] HENRY M P,YEUNG H,MATTAR W,et al.How a coriolis mass flow meter can operate in two-phase(gas/liquid) flow[C]//Emerging Technologies Conference,Isa Exposition,2004.

[8] SEEGER M.Coriolis flow measurement in two-phase flow[J].Computing & Control Engineering Journal,2005,16(3):10-16.

[9] 肖素琴，韩厚义. 质量流量计[M].北京:中国石化出版社,1999.

[10]耿艳峰，华陈权，王微微，等.利用科氏流量计测量凝析天然气的气液流量[J].自动化仪表，2013，34(3)：74-78.

[11]张瀚，徐科军.新型数字式科氏质量流量变送器[J].自动化仪表，2005，26(1)：25-28.

Influences of Pressure and Flow Fluctuation on Accuracy of Coriolis Mass Flowmeters

The relationships between the measurement accuracy of the Coriolis flowmeter and the fluctuations of pressure and flow are studied.And the flowmeter CMF200/2700 from Emerson is installed on the flow calibration device for carrying out tests of pressure and flow fluctuations, the test results are gained. Similar tests are done by using domestic model transmitter instead of Emerson 2700 transmitter. The results show that voltage detected by the Emerson CMF200 / 2700 flowmeter is always the same during the test, measurement error is almost unaffected by pressure and flow fluctuations, while the errors of using CMF200 and a domestic model transmitter are influenced greatly. By analyzing the relationship between the detection voltage and error, the improvement direction of this domestic transmitter is proposed.

Pressure Transmitter Flowmeter Accuracy Voltage Amplitude

李睿娣(1965—)，女，1992年毕业于太原理工大学固体力学专业，获硕士学位，高级工程师；主要从事流量测量技术的研究。

TH814;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201608024

修改稿收到日期：2016-01-11。