质量流量计现场使用计量误差分析

李 勇

（山西蔺鑫煤焦化有限责任公司 设备部，山西 安泽 042509）

质量流量计因其计量精度高，可靠性好，检修方便，压损小等优点，越来越受到市场的欢迎和认可。其应用范围也越来越大，目前在石油化工、电力、钢铁、卫生等行业都有广泛应用。但是，质量流量计在现场使用时，会遇到许多现场问题。只有根据现场实际工况进行合理科学分析，才能得到正确的结论[1]。本文以现场使用的4台质量流量计为例，进行实际误差分析，从而得到实际的使用结果。

质量流量计作为一种高精度仪表，对安装使用都有一定的要求。只有按照使用手册，严格规范地进行安装和调试，才能保证仪表正常工作，做到准确计量[2]。

1 质量流量计的工作原理

质量流量计由传感器和变送器两部分组成。传感器主要完成信号转换，变送器主要完成信号解算。下面将简单介绍质量流量计各部分的工作原理。

1.1 质量流量计传感器

质量流量计传感器功能上主要完成信号转换，即机械信号（管道流体流量）到电信号（成正比的电压信号）的转换。

质量流量计传感器结构上由支架、振管和线圈三部分组成[3]。支架主要起到支撑振管的作用，振管和线圈是质量流量计传感器的主要组成部件，起到信号转换功能。

工作原理：当流体静止充满两个平行的测量管时，振管以自身的固有频率进行上下振动。此时振管的进入口和流出口处于平衡状态，相位差为零。当有流体流过振管时，振管的振动发生变化。在振管原上下振动的基础上，在振管的进入口和流出口两侧会附加一个科里奥力，该力使得振管发生扭曲[4]，如图1。

图1 质量流量计工作原理图Fig.1 Working principle diagram of mass flowmeter

而这一扭曲表现在电信号上，即两个正弦波的相位发生错位，如图2。

图2 位移传感器的输出Fig.2 Output of displacement sensor

流量越大，相位差也就越大。传感器记录并把这两个相位差信号传出，供后续电路处理解算，至此完成传感器信号转换功能[5]。

1.2 质量流量计变送器

质量流量计变送器主要有两大功能：其一，完成信号的解算功能；其二，给质量流量计传感器供电，使得传感器能正常振动。同时完成附带其他功能，例如本安功能、电流输出、频率输出、显示以及485远传功能等[6]。

2 质量流量计的优缺点

2.1 优点

直接测量介质的质量流量有很高的测量精度，可测量流体范围广泛，包括高粘度介质，含有固形物的浆液，足够密度的中高压气体。

压损小。由于质量流量计的检测部件都被安装在管子外壁，管子内壁光滑通畅，介质可以顺利通过，压力损失大大减小，同时也减少了管道堵塞风险，便于现场维护。

质量流量计可以直接测量介质的质量流量、密度和温度3个参量，其余参量例如体积流量等都是换算而来。

2.2 缺点

质量流量计零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高，误差分为基本误差和零点不稳定误差两部分。

不能用于测量低密度介质和低压气体，不适合测量两相流介质。

外界振动干扰较为敏感。为防止外界振动干扰，安装时有固定支架要求。

重量和体积较大，价格较昂贵[7]。

3 质量流量计的种类

3.1 按照质量流量计信号处理方式分类

质量流量计从信号处理方式来分类，有模拟式质量流量计和数字式质量流量计两大类。下面分别就这两种信号处理方式进行分析。

3.1.1 模拟式质量流量计

早期的质量流量计都是模拟式的。所谓模拟式质量流量计，包括两方面内容：驱动电路的模拟式控制和传感器输出信号的模拟式处理。

1）驱动电路的模拟式控制

驱动电路主要给传感器供电，但并不是简单地提供一个直流电压源或交流电压源。驱动电路的组成较复杂，包括放大电路、选频电路、比较电路、调幅电路等。驱动信号是动态产生的，而不是静态由稳压电源提供。具体产生过程，在质量流量计传感器和变送器电缆连接完成后，变送器上电，此时传感器会在上电瞬间产生包括各种频率的电杂波。杂波信号进入到变送器后，经过驱动电路的选频电路，挑选出某一频率的波形进行放大，放大后再反馈到传感器。这一过程反复循环进行，很快就产生一个能让传感器启动工作的，信号频率等于传感器固有频率的正弦波。当该驱动信号被放大到足以使传感器稳定工作时，稳幅电路开始起作用，保证驱动信号的幅值不再增大，而是稳定在某确定值。这样就完成了模拟式流量计的传感器起振。如果想改变驱动正弦波信号的电压大小，可以通过调幅电路来实现。整个驱动电路的组成都由模拟电路组成，包括电阻、电容、二极管、运放等，所以叫模拟驱动电路。

2）传感器信号的模拟式处理

当传感器振动工作时，会输出两路幅值和频率相同，相位差随流量成正比的正弦波信号。这两个正弦波信号首先进行滤波、整形、运算放大，然后对经过处理的两路信号进行和差化积运算，运算结果是传感器的流量大小成比例的模拟直流电压。这一直流电压再进行压频转换，变换出成比例的频率信号。频率信号计数器接收，转换成数字信号输出到MCU芯片，然后计算出对应的质量流量，同时换算出体积流量，供用户选择使用。

从传感器输出的模拟正弦波开始，直到被MCU芯片接收，整个过程都是模拟处理，故称为模拟式质量流量计。

模拟式质量流量计的优点是实时性好，测量精度高；缺点是电路复杂，制造成本高，更容易受到外界干扰。

3.1.2 数字式质量流量计

数字式质量流量计是针对模拟式质量流量计而言的。所谓数字式质量流量计，包括驱动电路的数字化处理和传感器信号输出的数字化处理。

1）驱动电路数字化处理

驱动电路工作状态由芯片MCU控制。具体来讲，驱动电路的工作原理与模拟电路相同，但是驱动电路的输出被分成两路：一路传送到传感器，驱动传感器振动工作；另一路经过简单处理后被送到MCU电路。MCU判断电路的工作状态，实时调整驱动电路的输出，使得驱动电路的输出能恒定在某一确定电压值。这一带数字反馈的处理过程被称作驱动数字化。

2）传感器信号输出数字化处理

传感器起振正常工作后，会输出两路幅值和频率完全相同的正弦波，对这两路信号进行处理就会得到介质的质量流量。所谓的数字化处理，是信号从传感器输出后经过简单滤波就直接进入到功能强大的MCU芯片，所有的信号处理包括运放、整型、A/D转换、计算及送显等都是由MCU芯片来完成，大大降低了生产成本，也使得产品的可靠性和一致性都有所提高[8]。

3.2 质量流量计传感器结构方式分类

质量流量计发展到现在已经有二三十种系列品种，其主要区别在于质量流量计传感器测量振管的结构不同。不同的结构，仪表的精确度、稳定性、灵敏度等都是不同的。

3.2.1 按照测量振管数量分类

1）单管型：产品的传感器由一根振管组成，这是早期产品采用的结构方式。单管型传感器易受外界影响，现在很少使用。

2）双管型：双管型传感器可以很好地降低外界振动干扰的敏感性，更容易实现相位差的测量，目前绝大多数厂商的传感器都采用这种结构模式[9]。

3.2.2 按照振管形状分类

1）弯曲型

弯曲型又可分为多种形状。现在市场上常见的有U型传感器、B型传感器、S型传感器、T型传感器、Ω型传感器，以及三角形传感器等。不同形状的传感器各有优缺点，适合不同的工况使用。例如U型传感器，这是许多生产厂商采用的传感器结构模式，其最大特点就是精度高，稳定性好，抗干扰能力强。缺点是体积大，造价高，重量大。该产品适合用在贸易交接等要求精度高的地方。三角形传感器属于微弯型，体积小，重量轻，造价便宜，方便运输。但是精度较差，零点稳定性也不是很好。这类传感器更适合使用在厂内需要有计量监控的内部管网中。

2）直型

直型传感器体积小，制造方便，重量轻，压损小，更适合测量浆液，有固体颗粒容易沉积的固液混合体。但刚性大，起振困难，精度也不容易做到很高。

3.2.3 按测量管流动方向分类

1）平行方式：流体流动方向和工艺管道流动方向平行。U型结构、T型结构、三角形结构等都采用这种方式，这种结构更容易生产和运输。

2）垂直方式：测量管的布置与工艺管道垂直。流量传感器整体不在工艺管道振动干扰作用的平面内，这样就有较强的抗振动干扰的能力。

4 现场情况及误差溯源

4.1 现场情况

LNG计量系统集成商在用户使用的4台LNG加液机中使用了TMASS25L+HT100质量流量计（DN25）。用户使用后反馈，LNG加液机中的质量流量计存在较大的计量误差。4台LNG加液机连接到收费系统，用户通过收费系统察觉存在较大的计量误差，但4台LNG加液机都在正常工作（正常计量收费），故怀疑质量流量计存在计量误差。

4.2 误差溯源

1）用户反馈信息

输入22t，只能输出17t，存在5t计量误差。

2）现场误差溯源

①输入：输入的气罐车出厂随车票据显示装载了22.22t，在到达加气站后地磅测量21.8t。对比后，排除地磅的计量误差，基本认同输入22t；②输出：4台加液机在实际计量输出17.68701t。计量统计来自于LNG加液机，暂不考虑LNG加液机存在漏记、少记以及与收费系统传输时数据丢失等问题，通过PC端收费系统的统计记录（见表1）认同输出17.68701t。

表1 4台LNG加液机计量统计汇总表Table 1 Statistical summary table of measurement of 4 LNG dosing machines

3）残留

用户认为无残留，因为站内LNG罐体液位计显示归零。但液位计为模拟表盘式，存在一定的读数误差及本身计量误差。通过与制造厂沟通，确认实际罐体内依旧存在几百公斤LNG。综上所述，考虑输入、输出及残留，得知大约存在3t～4t的LNG计量缺失，计量误差大约20%。

5 现场流量计使用情况

5.1 传感器工作状态及使用工况

传感器工作状态：①通过法兰与管道连接，无独立支撑（无影响）；②工作时管道上无明显振动；③安装方向与壳体指示箭头一致；④安装位置在LNG加液机内部；⑤安装位置附近无强烈的振动源，不会干扰传感器正常工作；⑥工作温度计量时为介质温度，不计量时与周围环境温度相同。

5.2 质量流量计使用工况

①据现场工艺介绍，不存在气液两相流情况导致传感器停止振动，不计量；②据现场工艺介绍，不存在计量时传感器温度剧烈变化（输出LNG前，LNG加液机启动预冷，对整个管路进行降温）；③据现场工艺介绍，不存在不满管计量状态；④据现场工艺介绍，质量流量在传感器可控流量范围，不存在过小的流量情况。

5.3 变送器工作状态及控制流程

1）工作状态

①变送器无显示部分；②质监局对变送器的腔体盖进行了铅封（见图4）；③控制器为其提供电源；④通过485接口与控制器连接；⑤控制器采用“与ADS兼容的MODBUS协议及寄存器地址”去访问其控制变送器；⑤4台变送器对质量流量的切除量在0.9kg/min，2kg/min（对计量无影响，不存在切除量过大，导致出现计量误差的现象）。

图4 MF变送器现场铅封图Fig.4 Field lead seal of MF transmitter

2）控制流程（来自LNG加液机技术方）

①开始计量时，控制器读取变送器的累计总量；②计量结束后，控制器再次读取变送器的累计总量；③求取差值得到计量总量后，下传清除累计总量指令。

5.4 质量流量计工作诊断

对4台质量流量计进行功能诊断：①A/B检测电压正常；②振动频率正常；③驱动正常；④测温正常；⑤自诊断正常。

整机无故障，无异常。

6 计量误差分析

获取与“质量流量计量”相关的参数进行分析。

6.1 零点与误差

图5 MICROMOTION CMF系列零点稳定性指标Fig.5 Zero point stability index of MICROMOTION CMF series

现场工艺介绍，每车装车量大约在200kg，装车时间在5min～10min，得到实际装车流量为：5min装满，流 量Flowmax=200kg/5min=40kg/min；10min装 满，流量Flowmin=200kg/10min=20kg/min。传感器的流量范围为20kg/min～200kg/min，实际使用的最小流量为20kg/min，在传感器的10:1量程点附近，符合传感器使用要求。

由传感器零点的工厂值（出厂前进行流量标定的预置值）和现场使用值（建站时流量计厂商调试（远程视频调试）后的设定值）进行分析，估算零点产生的计量误差。

1#表流量计零点产生的计量误差λ：

1#流量计零点产生的误差估算在18.62%～9.31%。尝试现场再次校准零点，由于现场温度与实际工作温度相差较大，校准零点有偏差，不做分析；又因为流量计已做“铅封”，故恢复之前现场计量检定时使用值。对比MicroMotion CMF025零点稳定性如5图。

2#流量计零点产生的计量误差：

流量计零点产生的误差估算在 5.0%～2.50%[5]。

6.2 流量标定与误差

据了解在建站后到现场检定前，质量流量计存在计量偏差，流量计厂商调试（远程视频调试）后对其进行修改，只有2#，3#有此值，估算流量标定产生的计量误差。

2#流量计流量系数产生的误差：

3#流量系数产生的误差：

2#流量计流量系数产生的误差在3.61%。

6.3 温度补偿系数与误差

4台流量计的温度流量补偿系数设定值都为4.5，据经验在低温时需修正温度流量补偿系数。不同温度补偿系数带来的计量误差如下：

由此可知，温度流量补偿系数变化0.1，带来的误差为0.1×1.5%=0.15%

7 质量流量计的基本安装要求

1）水平安装。在条件允许的情况下，质量流量计要实现水平安装，这样能保证其正常工作。

2）前后留出足够的直管段。流体在管道内的流态比较复杂，不同流态下的质量流量计有不同的工作状态，影响其测量精度。前后留出直管段，可以保证流体处于层流状态，更接近出厂标定环境，从而具有更高的计量精度。

3）远离振动源。质量流量计本身的工作原理，就是依靠振管自身的震动来实现流量计量的。如果外界有振动源就会相互干扰，从而影响产品的计量精度，甚至会造成仪表停振。如果现场原因无法避免而距离太近，必须在仪表与振动源之间安装膨胀节以减缓外界振动对仪表的影响。

4）流量计的安装位置应尽量安装在管道最低处。流量计在使用时一定要充满液体，安装在最低处可以保证管道内时刻充满液体，仪表使用在间段送料的环境中，可以避免开启和停止送料时管道的空化，造成计量误差。

5）传感器箱体下面不能有支撑物。许多用户在安装质量流量计时，为了方便在箱体下垫支撑物，当安装完毕也不会把支撑物去掉，这样会影响计量精度。因为支撑物会影响传感器的振动，从而影响到计量精度。

6）变送器要安装在通风干燥的地方，避免在变送器上堆放杂物，避免阳光直射，这样会影响仪表的使用寿命。

7）变送器与传感器间的连接电缆一定要用厂家提供的带屏蔽层的专用电缆，而且屏蔽线要一端接地，保证屏蔽线上各点处于等电势状态，而且传感器外壳和变送器外壳要牢固接地[10]。

以上是对现场质量流量计现场安装的一些体会，按照如上要求进行安装调试，仪表一般都会有很好的计量效果。

8 结论

仪表在使用过程中误差是客观存在的，误差的组成也是确定的，可以对仪表的误差进行拆解分析，然后找出影响仪表使用的最大误差来源，针对性采取措施。从上面误差案例分析可以非常清楚地看到每一台流量计的误差组成，不同组分的误差大小和误差来源，这样就能针对性采取措施，达到最佳使用效果。