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研究介質溫度對電磁流量計特征系數的影響分析

作者: 來源: 發布時間:2018-04-04 09:21:49


摘要:以水為實驗介質,基于靜態質量法水流量標準裝置,研究了介質溫度對電磁流量計特征系數的影響。結果表明:當流體溫度在16.7~30.0℃時,電磁流量計相對示值誤差在±0.13%以內,介質溫度的影響可以忽略;當流體溫度在30~63℃時,介質溫度的影響不能忽略。將修正后的特征系數應用于電磁流量計測量實驗中,得到DN80mm和DN100mm電磁流量計的相對示值誤差的zui大值為0.03%,滿足實驗要求。

 電磁流量計的測量通道是一段無阻流件的光滑直管,不易阻塞,因此適用于測量含有固體顆?;蚶w維的固液兩相流量。電磁流量計因具有壓力損失相對較小、量程范圍和口徑范圍寬、反應靈敏、可測量瞬時脈動流量及可測量正反兩個方向的流量等特點,已廣泛應用于高溫化工工業現場中,實現對各種導電液體的流量測量。
 目前,電磁流量計的出廠檢驗與檢定工作是在實驗室常溫參考條件下進行的,但實際工業現場通常是高溫環境,與實驗室參考條件有較大偏離,由此對電磁流量計造成的測量誤差尚不明確。盡管學者們對電磁流量計進行了大量研究分析,但很少涉及到流體介質溫度變化對電磁流量計測量誤差的影響。2017年,我們三暢儀表對3個不同品牌的電磁流量計進行了實驗研究,提出高精度電磁流量計會受到介質溫度的影響。為了使檢定和計量工作更加科學合理,筆者結合電磁流量計的工業現場應用條件,應用國家蒸汽流量計量站靜態質量法水流量標準裝置,就介質溫度對電磁流量計特征系數的影響進行實驗研究。

1、電磁流量計的工作原理:
 在感應強度為B的磁場中,垂直于磁場方向放置一個內徑為D的不導磁管道,根據法拉第電磁感應定律,當導電液體在管道中以流速v流動時,導電流體將切割磁感線,導體兩端將產生感生電動勢E,即:E=kBD珋v(1)式中k———比例常數。圓形截面管道的體積流量qV為:qV=πD24珋v(2)結合式(1)、(2)可得:qV=πD4k·EB(3)令K=πD4k,則式(3)可進一步表示為:qV=K·EB
 定義K為電磁流量計的特征系數,該系數通常由實流標定得到。然而當介質溫度升高時:流體在管道中的流場分布情況會發生變化;流體粘度變小,流速增大;傳感器通徑會發生變化?;诖?,筆者重點研究介質溫度對電磁流量計特征系數的影響。

2、電磁流量計特征系數的修正:
 特征系數的主要任務是將外在環境因素引起的測量誤差、傳感器測量管內徑誤差、磁感應強度誤差、流速分布非軸對稱性和電磁流量計制作工藝引起的誤差,代入特征系數表達式并予以修正。
 以DN80mm電磁流量計為例,其工作方式為脈沖輸出,輸出頻率5kHz,設電磁流量計的脈沖系數(單位體積的被測介質滿管經過電磁流量計時發出的脈沖數)K'0=150000m-3。選用靜態質量法水流量標準裝置進行實驗,測試溫度范圍為16.7~63.0℃,待被測介質溫度和流量穩定后,在實測時間間隔內收集到的被測液體重量為(Ws)ij,經過被測液體密度和空氣浮力修正計算得到的標準體積為(Vs)ij。設被測電磁流量計第i個流量點第j次實測時間間隔輸出的脈沖數為Nij,則第i個流量點第j次實測的脈沖系數K'ij為:
 K'ij=Nij(Vs)ij每個流量點的脈沖系數K'i為:K'i=∑nj=1K'ijn利用K'i對電磁流量計的初始特征系數K0(由流量計說明書或銘牌獲得)進行修正后,每個流量點的特征系數Ki為:Ki=K'0K'i×K0當被測電磁流量計確定時,K'0為定值。在溫度t下,電磁流量計的特征系數Kt為:Kt=(Ki)max+(Ki)min2第i個流量點第j次實測的示值誤差Eij為:Eij=K'ij-K'0K'0×100%每個流量點的示值誤差Ei為:Ei=K'i-K'0K'0×100%每個流量點的重復性Er為:Er=1n-1·∑nj=1(Eij-Ei)[]212某溫度點電磁流量計的相對示值誤差Et為流量計在該溫度下,各流量點的相對示值誤差的zui大值。

3、實驗與誤差分析:
3.1、實驗方案:
 采用國家蒸汽流量計量站靜態質量法水流量標準裝置進行實驗研究,流量測量范圍1~600m3/h,擴展不確定度Urel=0.05%(k=2)。以水為實驗介質,選取DN80mm和DN100mm的0.5級電磁流量計,每個測試點測量3次,共180次測試,研究電磁流量計特征系數隨溫度變化的特性。具體實驗方案見表1。
表 1 實驗方案

表 1 實驗方案


3. 2、實驗數據與誤差分析:
  首先,在常溫 16. 7℃ 下對被測流量計進行標定,得到標定后的脈沖系數 K'0,并修正初始特征系數 K0。對流量計的特征系數進行修改后,得到DN80mm 電磁流量計的特征系數為 0. 920 5,脈沖系數為 150 000m- 3; DN100mm 電磁流量計的特征系數為 1. 131 3,脈沖系數為 90 000m- 3。
  利用蒸汽對水箱中的水進行換熱,以達到目標溫度; 利用流量調節閥調節到目標流量后即可進行測試。實驗結果如圖 1 所示,其中 Kij表示被測電磁流量計第 i 個流量點第 j 次實測的脈沖系數修正后的特征系數??梢钥闯?,高溫對被測電磁流量計特征系數的影響較明顯,DN100mm 電磁流量計的特征系數在高低溫處的zui大變化量為0. 9% 。特征系數在溫度變化范圍內的整體趨勢可以分為以下 3 個階段:
a. 當流體介質溫度在 16. 7 ~ 30. 0℃ 時,與K0相比 Kt略減小,但變化不明顯,可以忽略;
b. 當流體介質溫度在 30 ~ 55℃ 時,與 K0相比 Kt繼續減小,但 Kt仍趨于穩定;
c. 當流體介質溫度高于 55℃ 時,特征系數Kt在階段 b 的基礎上再減小。


圖 1 兩種口徑的電磁流量計特征系數隨溫度的變化情況
圖 1 兩種口徑的電磁流量計特征系數隨溫度的變化情況
 

  被測電磁流量計特征系數的相對誤差如圖 2 所示。
 

圖 2 兩種口徑的電磁流量計特征系數的相對誤差

圖 2 兩種口徑的電磁流量計特征系數的相對誤差


  由圖 2 可以看出,DN80mm 和 DN100mm 電磁流量計第 i 個流量點第 j 次實測的特征系數 Kij的相對誤差上限分別為 0.23% 和 0.25% ,相對誤差下限分別為 - 0.51% 和 - 0.65% 。
  根 據 JJG 1033-2007, DN80mm 和DN100mm 電磁流量計在不同溫度下的相對示值誤差和重復性見表 2??梢钥闯?,當流體溫度在16.7 ~ 30.0℃ 時,電磁流量計的相對示值誤差在± 0.13% 以內,筆者認為在此溫度范圍內,介質溫度變化對電磁流量計的影響可以忽略。當流體溫度在 30 ~ 63℃時,電磁流量計的相對示值誤差正偏,zui大誤差為 0.60% ,對于 DN100mm 的電磁流量計,其相對示值誤差已經超出了 0.5 級電磁流量計的精度范圍。因此,當電磁流量計用于高溫環境的高精度測量時,介質溫度的影響一定不能忽略。
 

表 2 未修正電磁流量計的相對示值誤差和重復性
表 2 未修正電磁流量計的相對示值誤差和重復性


  根據上述分析,當流體溫度在 30 ~ 55℃ 時,DN80mm 電磁流量計特征系數的修正值 Δ80=-0.0015,DN100mm 電磁流量計特征系數的修正值 Δ100= -0.0019; 當 流 體 溫 度 高 于 55℃ 時,
Δ80= -0.0018,Δ100= -0.0034。因此可以得到,當流體溫度高于 30℃ 時,電磁流量計特征系數 K= K0+ Δ。將修正后的特征系數應用于電磁流量計測量實驗中,得到 DN80mm 和 DN100mm 電磁流量計的相對示值誤差zui大值為 0.03% 。

4、結束語:
  筆者采用國家蒸汽流量計量站靜態質量法水流量標準裝置,選取 DN80mm 和 DN100mm 的 0.5級電磁流量計,研究了電磁流量計特征系數隨溫度變化的特性。當流體溫度在 16.7 ~ 30.0℃ 時,
電磁流量計相對示值誤差在 ± 0.13% 以內,介質溫度變化對電磁流量計的影響可以忽略。當流體溫度在 30 ~ 63℃時,電磁流量計相對示值誤差正偏,zui大誤差為 0.60% ,對于 DN100mm 電磁流量計,其相對示值誤差已經超出了 0.5 級電磁流量計的精度范圍。由于本次實驗測試數據有限,且流體溫度僅測試到 63℃,不能直接給出介質溫度與電磁流量計特征系數的修正公式,故后續仍需對該課題做深入研究。

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