影响科氏质量流量计性能的因素及解决对策

影响科氏质量流量计性能的因素及解决对策作者：李斌

来源：《科技创新导报》2011年第20期

摘要:本文分析了影响谐振式科氏质量流量计稳定性和可靠性的主要干扰因素,给出了消减或抑止这些干扰因素影响的思路与对策,这些对策对提高流量计的整体技术性能有着重要意义。

关键词:科氏质量流量工作性能计量

中图分类号:TP2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)07(b)-0052-02

1 引言

20世纪80年代末期,由于我国油品贸易计量采用“质量”结算,因此科氏质量流量计以直接测量介质质量的特点,得到了快速发展和普及,目前中石化、中石油等大型石油公司系统内的油品管输交接计量大多采用了科氏质量流量计,同时也使得动态计量模式更加简捷。虽然质量流量计是一种计量准确、性能相对可靠的计量仪表,但由于我们对其工作特性认识和理解的局限,在实际运行过程中仍然会出现一些异常现象,作为计量工作者应了解和掌握影响其计量性能的主要因素,并学会如何利用一些现代科学技术和手段提高其运行质量,以保障贸易的公正性,并保护贸易双方的经济利益。

科氏质量流量计除了可直接测量介质的质量流量,且受流体粘度、密度、压力等因素的影响很小外,还有如下两个显著特点:

(1)多功能性:可同步测出流体的密度,从而可以解算出体积流量;可解算出双组分液体各自所占的比例(包括体积流量、质量流量以及它们的累计量);我们现在已成功地将此功能扩展到具有一定物理相溶性的双组分液体的测量中。

(2)信号数字化:质量流量、密度的解算都是直接针对周期信号的,便于与计算机连接构成分布式计算机测控系统;易于解算出被测流体的瞬时质量流量和累计质量;也可以同步解算出体积流量及累积量。

基于以往在谐振式传感器方面多年的实践经验和理论基础的积累,国内于上世纪90年代起探索研究科氏质量流量计的有关问题。目前在科氏质量流量计的实际应用中,发现有许多干扰因素,如耦合振动、非线性振动、流体脉动和安装应力等,这些因素严重制约着科氏质量流量计的性能和实用效能。下面就制约科氏质量流量计的工作性能的各种因素进行分析,并提出改善或抑止这些制约因素的对策。

2 科氏质量流量计的工作原理

科氏质量流量计测量部分主要由弹性测量管、激振单元、拾振单元、闭环自激放大单元等组成,参见图1。

工作原理为:弹性激振单元维持以弹性测量管为主的敏感元件处于谐振状态,测量管作“弯曲主振动”;当流体流过振动的测量管时,所产生的“科氏效应”使测量管在上述“主振动”的基础上,产生直接与所流过的“质量流量”相关的“扭转副振动”,通过检测测量管的“复合振动”就可以直接得到流体的质量流量。显然,科氏质量流量计能够稳定、可靠地工作,关键是要保证处于理想的振动状态,即在实际应用中要抑制或尽可能减小其所受的影响。

3 干扰因素影响机制的分析

传感器工作过程中,敏感结构的振动能量很容易通过其边界结构传递到传感器的机箱上和管路上,从而引起传感器振动状态的不稳定:轻则降低传感器的精度,重则导致传感器工作失效。因此,首先要解决谐振式科氏质量流量传感器的稳定性问题,即必须从传感器(特别是复合敏感部分)自身的整体结构特征,信号流传输,能量相互转化过程等来揭示、掌握科氏质量流量计干扰因素产生的途径与规律。谐振式科氏质量流量传感器复合敏感结构的工作模式,决定了其连接底板与弹性弯管复合敏感在空间上是正交连接的,这对敏感结构的弯曲主振动的隔振(解耦)是不利的,也即非常容易引起传感器结构的“耦合振动”。这样外部随机的干扰振动能量就会传到传感器的敏感结构上,使其正常的固有振动特性发生变化。

由于该质量流量传感器自身为复合敏感结构,维持传感器工作的激励主振动与由于科氏效应诱发出来的测量副振动叠加在一起,形成复合振动。复合振动本质上属于非线性振动的范畴。而在测量过程中,被测流体的形态变化较大,因此,将导致激励主振动信号与测量副振动信号相互影响程度发生较大的变化。特别是液态流体在传输过程中,具有一定的脉动性。脉动的流体相当于被测的流体质量流量处于一种特殊的动态,这样谐振式科氏质量流量传感器在使用过程中,脉动流体将会影响科氏质量流量传感器的复合敏感结构的固有振动频率和振型。此外,科氏质量流量计在使用过程中,由于通过连接法兰安装时,非常容易引起一定量值的安装应力。安装应力将有可能产生对流量传感器复合弹性敏感结构振动特性的影响。上述这些引起传感器敏感结构及其振动特性变化的因素,实际上就是影响传感器的工作性能的主要干扰因素。

4 影响计量性能的主要因素和解决对策

4.1 结构设计及优化

基于上述分析,应当着重解决影响科氏质量流量计工作稳定性和可靠性的有关干扰因素对传感器复合敏感结构的干扰机理。这就要从传感器双弹性弯管与激励单元的连接方式、弹性弯管上的定距板实现方式、分流器(汇流器)、连接底板、保护外壳体以及法兰连接件等多个环节进行深入研究和优化设计。

(1)激励单元连接方式与定距板连接方式的优化设计:谐振式科氏质量流量传感器的激励单元是保证其连续工作的基础,质量流量传感器的敏感结构中有一对完全对称的弹性弯管,它们在工作时应处于同步的、对称的反向振动。因此重点研究激励单元连接方式以及相应的激励方式对复合弹性敏感结构的影响;在此基础上对连接复合弹性敏感结构的激励单元进行了优化设计。定距板也是影响复合弹性敏感结构的关键因素之一,同时也对传感器的测量灵敏度有着较大的影响。因此应在综合考虑传感器的测量灵敏度和工作稳定性的基础上对定距板的连接方式进行优化设计。

(2)分流器(汇流器)结构及其连接方式的优化设计:以复合弹性弯管敏感结构固有振动特性不受外界干扰影响为出发点,深入研究分流器(汇流器)结构及其连接方式对质量流量测量过程的影响。

(3)连接底板、保护外箱体结构及其参数的优化设计:谐振式科氏质量流量传感器复合敏感结构的工作模式对敏感结构的弯曲主振动的隔振是不利的。工程应用与试验研究表明:传感器的保护外箱体存在着与复合敏感结构的耦合谐振现象。这一耦合谐振现象正是引起传感器测量误差以及工作不稳定的重要表现形式。为此我们提出了正交连接的“柔性实现”的新思路,并进行了大量的试验研究。试验研究结果表明:所提出的“柔性连接”的新思路以及具体的实现方案连同上述其他相关的技术措施能够大大降低谐振式科氏质量流量传感器的“内部耦合振动”,同时也有效地降低了安装应力对传感器性能的影响。

4.2 安装应力

在质量流量计的安装过程中,如果流量计的传感器法兰与管道的中心轴没有对准(即传感器法兰与管道法兰不平行)或管道温度发生改变,管道所产生的应力会形成压力、扭力或拉力而作用到质量流量计的测量管上,引起检测探头的不对称性或变形,从而导致零点漂移,造成计量误差。解决办法:

(1)流量计安装时严格遵守规范或标准。

(2)流量计安装完毕后,用手操器调出“调零菜单” 并记录出厂零点预设值,调零完毕后在观察此时零点值,如果两值之间差异较大(两值要保证在一个数量级),则说明安装应力较大,应重新安装。

4.3 环境振动及电磁干扰

质量流量计正常工作时,测量管是处于振动状态的,并且对外来振动非常敏感。如果在同一支撑平台上或附近区域存在其他振动源,振动源的振动频率会与质量流量计测量管的自身工作振动频率互相影响,引起流量计的异常振动和零点漂移,造成计量误差,严重时会导致流量计无法工作;同时由于传感器是通过激励线圈使测量管产生振动,如果流量计附近有较大的磁场干扰,也会对测量结果造成较大影响。