淺析質(zhì)量流量計的零點(diǎn)不穩定度

    科氏力質(zhì)量流量計是利用流體在直線(xiàn)運動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科氏力的原理制造的直接式質(zhì)量流量?jì)x表。這種流量計的開(kāi)發(fā)始于20世紀50年代，70年代中期由美國高準（MicroMotion）公司首先推向市場(chǎng)，到80年代中后期各國儀表廠(chǎng)相繼開(kāi)發(fā)，迄今世界上已有40家以上儀表制造廠(chǎng)推出各種結構的科氏力質(zhì)量流量計，我國目前有接近10家企業(yè)在生產(chǎn)。蘭州石化公司已經(jīng)使用了大約1000余臺質(zhì)量流量計，這些流量計大多數使用狀況良好，但也有少部分存在問(wèn)題。

    科氏力質(zhì)量流量計的優(yōu)缺點(diǎn)

    科氏力質(zhì)量流量計直接測量質(zhì)量流量，有較高的測量精確度。它可測量的流體種類(lèi)較多，如高黏度的各種液體、含有固形物的漿液、含有微量氣體的液體、有足夠密度的中高壓氣體等�？剖狭�質(zhì)量流量計的測量管的振動(dòng)幅小，可視作非活動(dòng)件，測量管路內無(wú)阻礙件和活動(dòng)件，對管路的壓損小，運行壽命長(cháng)。它對流速分布不敏感，因而對上下游直管段基本無(wú)要求。測量值對流體黏度不敏感，流體密度、溫度變化對測量值的影響微小�？勺龆鄥�數測量，如同時(shí)測量密度、溫度，也可以分析混合介質(zhì)中不同介質(zhì)濃度。

    科氏力質(zhì)量流量計不能用于測量低壓氣體，液體中含氣量超過(guò)某一限制（按型號而異）會(huì )顯著(zhù)影響測量結果�？剖狭�質(zhì)量流量計對外界振動(dòng)干擾較為敏感，為防止管道振動(dòng)影響，科氏力質(zhì)量流量計的流量傳感器安裝固定要求較高，某些型號的質(zhì)量流量計對安裝有特殊的要求。不能用于較大管徑，目前尚局限于150mm/200mm以下。測量管內壁磨損腐蝕或沉積結垢會(huì )影響測量精確度，尤其對薄壁測量管的科氏力質(zhì)量流量計更為顯著(zhù)。

    科氏力質(zhì)量流量計零點(diǎn)不確定度產(chǎn)生的原因及分析

    科氏力質(zhì)量流量計的技術(shù)指標有很多項，其中有大家都熟悉的流量準確度、密度、溫度準確度等，但也存在對某些重要參數不重視或不熟悉現象，這造成了對科氏力質(zhì)量流量計性能了解的不完整，給選型和使用帶來(lái)很大的影響，這些參數中最容易被忽視的是質(zhì)量流量計的零點(diǎn)不穩定指標。

    科氏力質(zhì)量流量計屬于振動(dòng)型流量計，當振動(dòng)管中有介質(zhì)流動(dòng)時(shí)，由于科氏力作用在測量管上各點(diǎn)的力不同，所引起的位移也各不相同，因此在測量管上形成一個(gè)附加的扭曲。測量這個(gè)扭曲的過(guò)程在不同點(diǎn)上的相位差，就可得到流過(guò)測量管的流體的質(zhì)量流量。

    科氏力質(zhì)量流量計零點(diǎn)不穩定誤差主要來(lái)自流量傳感器部分，原因有兩個(gè)：機械振動(dòng)的非對稱(chēng)性和衰減、流體的密度黏度變化。影響前者的因素有：①管端固定應力；②振動(dòng)管剛度的變化；③雙管諧振頻率不一致性；④管壁材料的內衰減。影響后者的因素主要是結構不平衡，因此即使在空管時(shí)將雙管的諧振頻率調整一致，到充滿(mǎn)液體時(shí)仍可能產(chǎn)生零漂，即零點(diǎn)不穩定誤差，同樣因黏度引起的振動(dòng)衰減與頻率有關(guān)，在流動(dòng)時(shí)亦可能產(chǎn)生零點(diǎn)不確定度誤差。

    傳感器在制造完畢后，如果安裝狀況良好，其零點(diǎn)不穩定度在一定的條件下是一個(gè)確定的范圍值（誤差帶）。

    各生產(chǎn)廠(chǎng)家在技術(shù)指標中對零點(diǎn)不確定度基本都有描述，表1是收集的各廠(chǎng)家DN50口徑流量計的不確定度數據。

    從這些生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)指標中可以看出，每個(gè)流量計生產(chǎn)廠(chǎng)家的流量計零點(diǎn)不確定度基本上反映了該生產(chǎn)廠(chǎng)家的技術(shù)水平和產(chǎn)品質(zhì)量水平。

    質(zhì)量流量計檢定規程和各生產(chǎn)廠(chǎng)家都以“量程誤差加零點(diǎn)不穩定度”的方式表達科氏力質(zhì)量流量計的基本誤差。一般科氏力質(zhì)量流量計的測量允許最大絕對誤差E_ε為

    E_ε=±E_x+Q+Q₀    （1）

    式中E_ε—絕對誤差；

    E_x—準確度；

    Q₀—零點(diǎn)不穩定度；

    Q—流量。

    流量測量相對誤差E為：

    這種表達方式初看上去準確度很高，但計入零點(diǎn)不穩定度后，準確度并不怎么高。實(shí)際上在低流量或接近下限流量時(shí)，誤差較大，基本誤差常超過(guò)量程誤差一倍以上，選用時(shí)應予注意。

    例：一臺D150型科氏力質(zhì)量流量計，該流量計為0.2級質(zhì)量流量計，測量范圍0∼38.1t/h，該流量計的零點(diǎn)不穩定度為9kg/h，當工作在3t/h和18t/h的瞬時(shí)流量時(shí)，其測量的最大允許絕對誤差和相對誤差計算如下：

    E_ε（3）=±0.002×3000+9=±15kg/h    （3）

    E_ε（18）=±0.002×18000+9=±45kg/h    （4）

    E（3）=±15/3000×100=±0.50%    （5）

    E（18）=±45/18000×100=±0.25%    （6）

    從上面的計算可知，科氏力質(zhì)量流量計運行在中下流量值時(shí)，它的允許誤差遠高于它的準確度等級計算出的允許誤差，這時(shí)零點(diǎn)不確定度是誤差的主要來(lái)源�？剖狭�質(zhì)量流量計的測量允許誤差可以用圖1表示。

    由圖1中看出，20%以上流量時(shí)影響不顯著(zhù)；10%以下時(shí)零點(diǎn)不穩定度的影響逐漸突出；在流量接近零時(shí)相對誤差接近無(wú)窮大。因此，在流量計選型時(shí)應充分注意到這一點(diǎn)，否則不會(huì )獲得滿(mǎn)意的測量結果。

    零點(diǎn)不穩定度主要來(lái)源于傳感器，傳感器在設計優(yōu)化、選材、制造工藝、調試時(shí)已決定了該值的大小，對科氏力質(zhì)量流量計來(lái)說(shuō)零點(diǎn)不穩定度難以避免，誤差是絕對的，準確是相對的。零點(diǎn)不穩定度是體現一臺流量計質(zhì)量好壞的重要參數。

    可靠和良好的安裝，使傳感器有一個(gè)較好的邊界工作條件，較好地解決因同軸對準、溫度、壓力、振動(dòng)等環(huán)境因素產(chǎn)生的管道應力而引起的零點(diǎn)偏移問(wèn)題。好的安裝是保證應有準確度的重要條件之一，能保證流量計的零點(diǎn)不確定度誤差在一定的范圍之內。不好的安裝，將擴大零點(diǎn)不穩定度所帶來(lái)的影響，也不能得到一個(gè)相對穩定的零點(diǎn)。

    質(zhì)量流量計的零校準從原則上講并不能改變產(chǎn)品的零點(diǎn)不穩定度，零校準實(shí)際上是在一段時(shí)間內對綜合零點(diǎn)不確定度誤差求平均值，但它不能消除無(wú)規則信號的幅度。

    由于零點(diǎn)不穩定度的存在，為保證質(zhì)量流量計累計量的準確性，在流量狀態(tài)的設置方面無(wú)一例外地加有小流量切除功能，即設置閥值流量。其功能是當流量小于設置的閥值流量時(shí)，不進(jìn)行流量顯示和累計。這是質(zhì)量流量計對付零點(diǎn)不穩定度的策略之一。閥值流量一般在0.1%∼1%之間，也可根據不同介質(zhì)或環(huán)境需要設置。

    結語(yǔ)

    科氏力質(zhì)量流量計是一種很好的流量測量?jì)x表，零點(diǎn)不確定度是它的一個(gè)非常重要的技術(shù)指標，真實(shí)的反應了科氏力質(zhì)量流量計的技術(shù)水平，因此，在選型和使用中一定要對此參數引起足夠的重視，對每臺每種型號的科氏力質(zhì)量流量計做出客觀(guān)評價(jià)。同時(shí)在安裝使用過(guò)程中要盡量滿(mǎn)足廠(chǎng)家的安裝技術(shù)要求，只有充分的考慮了這些要求，才能保證流量計具有良好的計量性能。

    [參考文獻]

    [1]肖素琴，韓厚義。質(zhì)量流量計[M]。北京：中國石化出版社，1999。
    [2]JJG897-1995質(zhì)量流量計檢定規程[S]。