科氏質(zhì)量流量計(jì)屬于質(zhì)量流量直接測量儀表, 具有極高的測量準(zhǔn)確度, 行業(yè)內(nèi)***高能做到0.05%, 廣泛地應(yīng)用于貿(mào)易結(jié)算和關(guān)鍵工藝的過程控制。在實(shí)際應(yīng)用中, 工藝溫度對(duì)儀表測量準(zhǔn)確性有很大的影響。因此, 在工藝溫度變化范圍較大的應(yīng)用工況中必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

艾默生的高準(zhǔn)系列質(zhì)量流量計(jì)在溫度補(bǔ)償方面非常完善, , 十足的行業(yè)泰斗。國內(nèi)廠家中的東風(fēng)、太航、首科實(shí)華、一諾等公司, 從各公司產(chǎn)品的樣本中, 看到均有溫度補(bǔ)償?shù)拿枋鯷1-4]。

科氏力質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果的溫漂系數(shù), 與材料的線膨脹系數(shù)和彈性模量的溫度系數(shù)有關(guān), 并可由諧振頻率的溫度系數(shù)求出。當(dāng)采用1Cr18Ni9Ti時(shí), 在-10℃~60℃的溫度范圍內(nèi), 質(zhì)量流量參數(shù)的溫度系數(shù)是-4.24×10-4/℃, 密度參數(shù)的溫度系數(shù)是+4.24×10-4/℃[5]。本文只針對(duì)彈性模量部分引起的測量結(jié)果的溫漂部分進(jìn)行分析, 而由材料膨脹系數(shù)導(dǎo)致的漂移不屬于本文討論范圍。

圖1所示為質(zhì)量流量計(jì)傳感器測量管, 工作時(shí), 激振器驅(qū)動(dòng)測量管產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng), 設(shè)其速度為ω。設(shè)測量管中的單位長度流體的質(zhì)量為m, 并以速度v流經(jīng)測量管, 則流體受到的科氏力為fc。

流體對(duì)測量管的反作用力為

其方向垂直于測量管, 且在進(jìn)流側(cè)與振動(dòng)方向相反, 而在出流側(cè)與振動(dòng)方向相同。因而, 測量管受到扭矩作用。實(shí)際上, 此扭矩的大小和方向都隨時(shí)間變化, 從而使測量管繞R—R軸線作扭振。

現(xiàn)在分析科氏力在測量管上的分布情況。設(shè)測量管橫截面積處處相等, 流體不可壓縮, 且勻速流動(dòng)。

對(duì)于U形管直管段, 由于流體的速度方向保持不變, 故由公式 (2) 可見, 科氏力沿管長均勻分布。

對(duì)于U形管彎管段, 由于流體速度方向不斷變化, 故速度矢量與速度矢量的夾角不斷改變, 因而科氏力的大小亦不斷變化, 但其方向仍垂直于管平面。

下面給出測量管所受扭矩的表達(dá)式, 以便推導(dǎo)流體的質(zhì)量流量與時(shí)間間隔的關(guān)系式。從圖2可以看出, 由于科氏力沿管長成反對(duì)稱分布, 所以僅需取一側(cè)管路分析即可, 如圖3所示。

對(duì)于U型管的直管段部分, 由于 (S為截面積, v為流速) , 流體管道元段所受到的科氏力為

那么單位長度管道所受到的科氏力為

那么全部直管段 (L) 部分受到的扭矩為

對(duì)于U型管的彎管部分, 科氏力產(chǎn)生的扭矩為

故作用到整個(gè)U型測量管上的扭矩為

假定在此扭矩T的作用下, U形管的扭轉(zhuǎn)角為φ (如圖4所示) , 并設(shè)Ks為其結(jié)構(gòu)的彈性數(shù), 考慮到φ角很小, 則有

將 (7) 式帶入 (8) 式中可得

由 (9) 式可知, 流體的質(zhì)量流量qm與扭角φ和角速度有關(guān), 但要準(zhǔn)確測得其兩者之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用中, 在U形管的兩側(cè), 一般是在管的圓弧段與直管段的連接處對(duì)稱布置兩個(gè)電磁檢測器, 由此測得U形管在振動(dòng)過程中, 它的兩側(cè)向上或向下通過振動(dòng)中心N—N的時(shí)間差?t, 而不必測φ和ω去求質(zhì)量流量qm。如圖4所示設(shè)檢測器所在點(diǎn)的速度為vt, 由圖中的幾何關(guān)系得

將式 (8) 帶入式 (7) 可得

式 (11) 反映了質(zhì)量流量, qm, 是由傳感器測量管彈性模量 (Ks) 、傳感器測量管機(jī)械尺寸以及兩個(gè)信號(hào)拾振器之間的時(shí)間差 (?t) 3部分共同決定的。其中測量管彈性模量 (Ks) 是一個(gè)溫度的函數(shù), 測量結(jié)果發(fā)生溫度漂移的根本原因就在于此。

工程上, 傳感器測量管彈性模量溫度漂移曲線可以通過高低溫實(shí)驗(yàn) (-40℃~85℃) 來獲得。如果傳感器批次一致性不太好, 每臺(tái)傳感器彈性模量溫漂特性必然有差異, 出廠之前必須對(duì)每臺(tái)傳感器分別進(jìn)行完整的高低溫實(shí)驗(yàn) (-40℃~85℃) 以便獲得準(zhǔn)確的測量管彈性模量溫漂特性, 并進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度補(bǔ)償。

圖5所示裝置為高低溫箱, 溫度變化范圍滿足-40℃~85℃工業(yè)級(jí)儀表溫度范圍要求, 適合流量計(jì)的溫度漂移修正實(shí)驗(yàn)。

將質(zhì)量流量計(jì)整機(jī)固定放置在高低溫箱中, 并開啟流量計(jì)的測試模式, 分別在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、85℃多溫度點(diǎn)采集傳感器的零流量值的相位差溫漂情況, 并繪制成一條曲線。此曲線表面上反映的是傳感器零流量情況下時(shí)間差值溫漂特性, 實(shí)際也等同于傳感器測量管的彈性模量溫漂特性。

在-40℃~85℃溫度范圍內(nèi), 本公司某臺(tái)科氏質(zhì)量流量計(jì)傳感器測量管的彈性模量溫漂特性如圖6所示。在此流量計(jì)轉(zhuǎn)換器中的流量換算系數(shù)中, 依據(jù)本漂移特性對(duì)流量計(jì)測量結(jié)果進(jìn)行修正即可完成流量的溫度的補(bǔ)償功能。

通過上述方法進(jìn)行的溫度補(bǔ)償, 能夠滿足實(shí)際測量對(duì)儀表準(zhǔn)確度的要求, 證明了次補(bǔ)償方法的正確性, 目前已銷售50余臺(tái), 實(shí)現(xiàn)銷售收入100余萬元。

在影響科氏質(zhì)量流量計(jì)測量準(zhǔn)確度的諸多環(huán)境因素中, 工藝溫度是***大的影響因素。0.5%級(jí)測量準(zhǔn)確度要求就必須進(jìn)行溫度補(bǔ)償。要達(dá)到0.2%級(jí)測量準(zhǔn)確度, 除了進(jìn)行溫度補(bǔ)償外, 還要考慮工藝管道的壓力因素, 需要通過背壓手段來盡量減小工藝壓力對(duì)測量結(jié)果的影響。