对影响质量流量计精度的因素及修正的初步探讨

1 概述

质量流量计是一种测量精度高，运行稳定可靠的流量测量仪表，它可以直接测量流体的质量流量。随着社会经济技术的发展，质量流量计越来越广泛地应用于现场计量和贸易结算。目前，贸易结算用质量流量计绝大部分都是艾默生公司的产品。很多人会认为，质量流量计测量的是质量流量，其测量精度与被测介质的温度、压力无关，这种看法实际上并不准确。下面我们来作一个初步的探讨。

2 质量流量计的工作原理

当一根管子绕着原点旋转时，让一个质点从原点通过管子向外端流动，即质点的线速度由零受逐渐加大，也就是说质点被赋予能量，随之产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度减缓，即管子运动发生滞后。相反，让一个质点从外端通过管子向原点流动，即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零，也就是说质点的能量被释放出来，随之而产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度加快，即管子运动发生超前。这种能使旋转的管子运动速度发生超前或滞后的力Fc就称为科氏力（见图1）。

图1 管子绕着原点旋转的科氏力示意图

将绕着同一根轴线以同相位旋转的两根相同的管子外端用同样的管子连接起来形成一条U形管。当管子内没有质点流过时，连接管与轴是平行的，而当管子内有质点流过时，由于科氏力的作用，两根旋转管发生相位差，连接管就不再与轴平行（见图2）。总而言之， 管子的相位差大小取决于管子变形的大小，而管子变形的大小仅仅取决于流经管子的流体质量的大小。这就为利用科氏力直接测量流体的质量流量奠定了理论基础。

图2 流体流过U形管的科氏力示意图

不断旋转着的管子只能在实验室里做模型，而不能用于实际生产现场。我们将管子的圆周运动切割下一段圆弧，使管子在圆弧内反复旋转，即将单向旋转运动变成双向振动，而在有流量时就变成反复扭动。要实现管子振动是非常方便的，即用激磁电流进行激励。而在管子两端利用电磁感应分别取得正弦号1和2，两个正弦号相位差的大小就直接反映出质量流量的大小（见图3）。

测量原理可用公式表达：

Fc=2·△m（ω·υ）

式中Fc——作用在测量管上的科氏力；△m——移动的物体；ω——角速度；υ——旋转或震荡系统中的径向速度。

图3 振动相位差示意图

很容易看出科氏力的大小取决于移动的物体（△m），其在系统中的速度（υ），因而是质量流量的函数。

3 影响质量流量计测量精度的因素及修正

影响质量流量计测量精度的因素有很多，如仪表的基本误差、零点稳定度、重复性误差等，这些误差可以从质量流量计的设计和制造方面来修正。另外，质量流量计在安装和使用过程中也会产生一定的误差，如工艺温度过高、工艺压力远远高于检定压力或周围环境强烈的机械振动等，都会影响质量流量计的测量精度。

3.1 机械振动的影响及修正从质量流量计的工作原理中我们知道，它是基于振动的原理进行测量的仪表它以自身的频率振动。流经流量管的流体引起测量管扭曲，且扭曲的程度与质量流量大小成正比。而外界的机械振动所产生的谐振波势必会干扰仪表自有的振动幅度和频率，影响测量的精度，严重时甚至还会损坏仪表。 [p]

为消除机械振动对仪表精度造成的影响，我们应在安装和使用维护方面加以注意。

首先，安装的地点应尽量选择在没有机械振动的地方，远离泵房、机组等振动源。尽量避免在同一管道上安装两台或以上的传感器，因为测量管振动会使各质量流量计之间相互影响，产生干扰而引起异常振动，影响仪表工作。

其次，要规范仪表安装。采用无应力安装，安装时将直管直接先固定在支撑架上，装上流量计的连接件，将直管按应有的长度割开， 将流量计无压力焊接吊装；或将工艺管道与法兰正确对准，保持同轴以减小应力，并设置固定支撑架，避免仪表在较长管线上振荡。但支撑架应安装在仪表两端法兰外的管线上，否则如果直接支撑于仪表本身会影响其自由振荡，振荡时产生的相位差就会出现偏差，从而影响测量结果，尤其对大口径流量计，因其振动幅度大，后果更严重。

在不能避免传感器在同一管道中串联使用时，应向厂家提出错开接近仪表的共振频率值，或拉开传感器的安装距离，分别设置独立的支撑架。

在传感器附近工艺管线上有阀门或泵时，都需要有它自己的支撑物，不能用传感器的安装底板或工艺过程的连接件来支撑。

对于较短时间或较弱的振动，可通过增加阻尼系数来进行修正。阻尼系数可以通过275通讯器修改，一般设置为5~30秒。

3.2 工艺温度的影响及修正工艺温度的变化会引起介质体积的变化，但不会影响测量结果，因为无论温度如何变化质量总是守恒的。但温度的变化会影响测量管刚性与零点稳定度，从而影响质量流量计的测量精度。

温度的变化对测量管刚度的改变在于：当温度升高时，测量管的材质会变软，反之则变硬，科氏力产生的扭曲量也因此受影响。但流量管刚性具有重复性且可修复。一般质量流量计的传感器内都安装有RTD温度传感器，可进行温度测量并进行温度补偿。如艾默生的质量流量计，其测量管刚性随温度的变化可以用温度系数T来修正。

但温度变化对零点稳定度的影响却会产生一个附加误差，且是非重复性的。这是由于传感器的材质和几何结构的不均衡造成的。传感器的零点不稳定是由于介质温度与调零温度不一致时所可能发生的最大偏移，表现为介质温度从调零温度每变化1℃时流量变化的百分比。在过程温度与调零温度有较大差别时，误差将较为显著。因此，为了减小温度对零点稳定度的影响，可以将仪表在工艺温度下调零来实现。

3.3 工艺压力的影响及修正工艺压力的变化与温度的变化一样，会引起测量管刚度的改变。当介质压力升高时，传感器测量管材质变硬，增强了（测量）振动管绷紧效应（stiffeningeffect）和弯曲振动管的布尔登效应（Bourdoneffect）。压力改变引起传感器弹性变差和结构尺寸改变，从而影响了流量计的仪表常数。因此，测量管的材料和几何尺寸决定着压力对传感器影响的大小，口径越大，影响越大。

压力对流量计的影响不仅是介质压力的波动对流量计的影响，更为突出的是工作压力与标定压力的较大偏差而造成的影响。目前流量计标定站的标定压力一般设定在0.45MPa左右，但是质量流量计安装后实际工作压力远远高于标定压力。当工作压力高于标定压力时，传感器振动管刚度的轻微变化会导致流量产生一个负向偏差，其幅度与振动管的厚度与外径比有一定的关系，比值高影响小，比值低则影响大。小口径的影响几乎可以忽视，但大口径随着振动管的厚度与外径比的降低，压力效应还是存在的。

某仪表厂家曾采用实验的方法，测试出压力变化对仪表测量精度的影响程度。具体方法是利用体积管流量标准装置对一台质量流量计进行试验，按照正常的检定操作规程安装好流量计，设定好检定压力，调整好流量计零点后进行标定操作，完成一次检定过程后，重新设定检定压力，在新的检定压力下再次进行标定操作，直到完成所有压力点的测试。表1是对一台流量计在不同压力下的测试数据。

表1 压力对测量精度的影响

从表1可以看出，压力越大，相对误差越大。误差为负数，表明流量显示值偏小。从上面的分析可以看出：压力对质量流量计测量值的影响是确实存在的，因此有必要加以修正。仪表厂家在制造质量流量计时，已考虑到压力对测量精度的影响，通过增加流量管的壁厚来降低压力对测量精度的影响，但增加壁厚会降低扭曲灵敏度，而扭曲灵敏度的降低会降低测量精度，所以为了确保测量精度，流量管直径和壁厚应保持在一个最佳比例。因此，厂商是无法在制造时进行更多的技术改进来消除工作压力对测量精度的影响的。要消除这种影响，还要在使用过程中进行修正，最简单的方法是由供需双方约定一个平均压力，计算出补偿后的流量系数，重新在变送器中组态，或根据流量系数的变化确定一个平均流量计系数直接对流量计结果进行修正，这在压力波动不大的情况下是可以采用的。但是较科学和准确的办法是在计量点配备压力变送器，将压力变送器测得的信号引入质量流量计变送器中，由质量流量计根据接收到的信号进行自动压力补偿。

无论采取何种压力修正方法，变送器都是根据以下公式进行补偿计算的：K=Kcal·[1-Kp·（Pmeas-Pcal）]。

式中K——经过压力补偿后的流量系数；Kcal——流量计出厂或安装前离线标定的流量系数；Kp——不同型号传感器单位压力变化补偿系数（见表2）；Pmeas——流量计工作压力（表压），Pa；Pcal——流量计离线标定时压力（表压），Pa。

式中Kp·（Pmeas-Pcal）得到的是工作压力偏离标定压力时的测量误差，表明偏离值越大，误差就越大。当工作压力较为稳定时，可以采用确定一个固定值直接对变送器组态的方法修正测量误差；当工作压力波动较大时，建议采用加装压力变送器在线测量压力的方法进行动态补偿。

表2 不同型号传感器压力效应系数