科氏質量流量計屬于質量流量直接測量儀表, 具有極高的測量準確度, 行業(yè)內***高能做到0.05%, 廣泛地應用于貿易結算和關鍵工藝的過程控制。在實際應用中, 工藝溫度對儀表測量準確性有很大的影響。因此, 在工藝溫度變化范圍較大的應用工況中必須進行溫度補償。

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

科氏力質量流量計測量結果的溫漂系數(shù), 與材料的線膨脹系數(shù)和彈性模量的溫度系數(shù)有關, 并可由諧振頻率的溫度系數(shù)求出。當采用1Cr18Ni9Ti時, 在-10℃~60℃的溫度范圍內, 質量流量參數(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]。本文只針對彈性模量部分引起的測量結果的溫漂部分進行分析, 而由材料膨脹系數(shù)導致的漂移不屬于本文討論范圍。

圖1所示為質量流量計傳感器測量管, 工作時, 激振器驅動測量管產(chǎn)生旋轉運動, 設其速度為ω。設測量管中的單位長度流體的質量為m, 并以速度v流經(jīng)測量管, 則流體受到的科氏力為fc。

流體對測量管的反作用力為

其方向垂直于測量管, 且在進流側與振動方向相反, 而在出流側與振動方向相同。因而, 測量管受到扭矩作用。實際上, 此扭矩的大小和方向都隨時間變化, 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。設測量管橫截面積處處相等, 流體不可壓縮, 且勻速流動。

對于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式, 以便推導流體的質量流量與時間間隔的關系式。從圖2可以看出, 由于科氏力沿管長成反對稱分布, 所以僅需取一側管路分析即可, 如圖3所示。

對于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形管的扭轉角為φ (如圖4所示) , 并設Ks為其結構的彈性數(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, 流體的質量流量qm與扭角φ和角速度有關, 但要準確測得其兩者之間的關系相當復雜。實際應用中, 在U形管的兩側, 一般是在管的圓弧段與直管段的連接處對稱布置兩個電磁檢測器, 由此測得U形管在振動過程中, 它的兩側向上或向下通過振動中心N—N的時間差?t, 而不必測φ和ω去求質量流量qm。如圖4所示設檢測器所在點的速度為vt, 由圖中的幾何關系得

將式 (8) 帶入式 (7) 可得

式 (11) 反映了質量流量, qm, 是由傳感器測量管彈性模量 (Ks) 、傳感器測量管機械尺寸以及兩個信號拾振器之間的時間差 (?t) 3部分共同決定的。其中測量管彈性模量 (Ks) 是一個溫度的函數(shù), 測量結果發(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驗 (-40℃~85℃) 來獲得。如果傳感器批次一致性不太好, 每臺傳感器彈性模量溫漂特性必然有差異, 出廠之前必須對每臺傳感器分別進行完整的高低溫實驗 (-40℃~85℃) 以便獲得準確的測量管彈性模量溫漂特性, 并進行準確的溫度補償。

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

將質量流量計整機固定放置在高低溫箱中, 并開啟流量計的測試模式, 分別在-40℃、-20℃、0℃、20℃、40℃、60℃、85℃多溫度點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間差值溫漂特性, 實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, 本公司某臺科氏質量流量計傳感器測量管的彈性模量溫漂特性如圖6所示。在此流量計轉換器中的流量換算系數(shù)中, 依據(jù)本漂移特性對流量計測量結果進行修正即可完成流量的溫度的補償功能。

通過上述方法進行的溫度補償, 能夠滿足實際測量對儀表準確度的要求, 證明了次補償方法的正確性, 目前已銷售50余臺, 實現(xiàn)銷售收入100余萬元。

在影響科氏質量流量計測量準確度的諸多環(huán)境因素中, 工藝溫度是***大的影響因素。0.5%級測量準確度要求就必須進行溫度補償。要達到0.2%級測量準確度, 除了進行溫度補償外, 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測量結果的影響。