影响科氏力流量计的因素分析及应用

吴维新

(中国石化武汉分公司计量站，武汉 430082)



影响科氏力流量计的因素分析及应用

吴维新

(中国石化武汉分公司计量站，武汉 430082)

从温度、压力、粘度、流体状态、振动、两相流、零点稳定性方面讨论影响科氏力流量计的因素，并采取相应对策减少或消除这些测量误差，提高科氏力流量计测量精度，保证科氏力流量计计量系统不确定度<0.3%；最后简述科氏力流量计在我公司对外贸易交接计量的成功应用。

科氏力流量计；测量误分析；测量不确定度

0 引言

随着科学技术发展，高精度质量流量计在石化行业应用越来越广泛；由于精细化管理深入，对科氏力流量计应用要求也越来越高，因此工艺状况及物理参数对科氏力流量计测量精度影响越来越得到重视。

1 科氏力流量计的工作原理

科里奥利质量流量计(简称科氏力流量计)基于下述原理：当一个位于一旋转体(管道)内的质点作向心或背离旋转中心的运动时，将产生一惯性力，这个力来自管道，而流体质点反作用于管道上的力就是科氏力，测量在旋转管道中流体的科氏力就可以直接测得质量流量。当液体在处于振动状态的测量管中流动时，测量管除以自激振荡频率ω做主振动外，由于科氏力的存在，还使测量管产生同一频率下的强制扭转振动。届时，测量管实际处于同一频率的主振动与扭转振动之复合振动之中。通过对简谐振动运动方程及稳定解和数学推导分析出测量管进、出口检测信号的相位差Δt与质量流量qm的关系(有关数学推导省略)：

(1)

式中：G为测量管材料的剪切弹性模量；K为决定于测量管结构尺寸量；ω为主振动角频率，rad/s；ωθ为测量管扭转振动的角频率，rad/s；Δt为测量管两检测信号时间差，s。

这就是科科氏力流量计流量测量数学模型。通过传感器的设计，把对科里奥利力的测量变成对振动管两侧时差的测量，这就是流量传感器的工作原理。

2 测量因素对科氏力流量计影响分析

从科氏力流量计测量质量流量数学模型可以看出，一种理想的科氏力流量计将不受流体热力学状态(密度、温度、压力)的影响，不受它的流变学特性(动力粘度)的影响，也不受流动状态(雷诺数、流速分布)的影响。但实际上，由于科氏力流量计是利用金属薄管的机械振动作为敏感元件来检测流量，因此它不可避免地会受到各种物理参数不同程度的影响，迄今尚无“绝对理想”的流量仪表。

2.1 温度影响

当被测液体温度升高时，科氏力流量计的振动管系统的刚性减少，这是由于测量管材料的固有弹性常数产生变化的原因，从式(1)弹性模量G减少，则流量qm减少。由于传感器安装RTD温度传感器检测测量管的温度，介质工艺温度变化引起传感器测量管材料弹性模量变化所产生的误差在仪表设计中已经作了补偿。但零点稳定性受温度的影响效应是不能被补偿的，因为它是由传感器中几何结构的不均衡引起的，是无规律性的。环境温度的变化会引起电子元器件的性能漂移，以致影响仪表的信号处理电路和模拟输出电路，但影响比较小，因此改善电子元器件的性能，提高其稳定性，可保证计量准确性。

2.2 压力影响

在一般测量环境和工况条件下，介质温度和压力变化的影响很小。但在实际工作条件下，如果介质温度、压力与标定时温度、压力差异很大时，对于精密测量，则应给以必要的修正。

由式(1)表明:当测量介质的压力、温度改变时，传感器的结构尺寸会发生变化，则K会发生变化。温度变化，影响K的变化不大，厂家在仪表出厂给出温度修正系数；而压力的影响较大，这是由于传感器的U形管是一个弹性体，一般管壁较薄，压力增大，K值增大，反应在流量计上，一定的流量，只要压力增大，流量计的显示值将减小。

根据国外科氏力流量计资料表明：传感器型号不同，压力变化对流量修正系数不同。如果工艺压力相对稳定，可以通过调整流量系数确定压力补偿。为了避免实际应用中压力变化对流量计测量精度的影响，采取以下方法：选型时尽量选用受压力变化影响小的科氏力流量计；流量计进行在线检定；在不具备在线检定条件时，也应使流量计在工作压力下进行离线检定；受压力影响所产生附加误差的变化较稳定的流量计，可采用安装压力变送器的方法以软件的方式进行实时的压力补偿计算。

2.3 粘度影响

粘度对科氏力流量计影响极微少，通常应用中不需要补偿。但当液体粘度过高时，可能会消耗激励驱动系统较多的能量，特别是在流动开始时，这种现象可能引起测量管瞬间阻塞，直到流量达到适当的程度为止。这种情况下，通常会在变送器内引起一个瞬间报警状态。有的产品带有辅助电源箱，当粘度升高时，接入激励系统，以补充其能量不足。

2.4 流动状况的影响

由上游和下游管子的构成状态所引起的旋涡和非均匀的畸形流速分布，科氏力流量计的性能通常是不受影响的，因而一般不要求专门的直管段。尽管如此，一个好的管路系统均应遵守最优的原则。科氏力流量计一般也能在脉动流条件下应用。但流体脉冲频率同管子振动频率相近时，就会影响科氏力流量计的性能，这要求避开谐振频率这样的脉冲状况，也可采用脉冲减振器。

2.5 振动影响

由于科氏力流量计是基于振动原理而工作的，如何防止来自泵、管路系统及其他机械的外来振动以及流动介质的水力学噪声等对仪表性能的影响，是十分重要的问题。主要有4个方面的措施来解决：1)在产品设计上加以考虑。所有设计者都采取了不同程度的抑制振动对测量管干扰的措施。2)制造厂家应向用户说明自己产品工作振动频率范围，以便在应用中加以注意。一般弯管式频率为80～100Hz,而直管式为700～1000Hz，各厂家有所不同。3)安装时仪表的进口和出口应有夹持和支撑，轴向管接头应与科氏力流量计接头相等，防止安装期间有过分的应力施加在科氏力流量计上。4)在安装环境较差时，考虑采用振动隔离，用柔性管连接(注意柔性管不能直接连接在传感器上)。

2.6 零点稳定性

很多制造厂家给出的科氏力流量计精确度指标中，在百分比误差之后有“+零点稳定性”一项，这是对于零点不稳定性的一项控制指标。形成零点不稳定的因素有如下几点：1)两根测量管不可避免的不对称性，从而在实际使用条件下由于温度、压力等影响而造成零流量下的输出偏差；2)液体中含有物质的非均匀性，甚至有某些沉淀产生，造成不对称；3)仪表出厂时动平衡补偿达不到理想要求；4)由于测量管的环绕产生的应力，在安装过程中产生应力，以及在安装过程中产生的其他应力，均附在测量管上。

减少零点漂移的途径，首先应在结构设计、制造工艺上加以考虑，保证两支管的对称性。为了更好应用，仪表安装后在现场使用的条件下重新调零。还要注意科氏力流量计安装地点不应靠近有较强电磁场的设备。

2.7 两相流影响

科氏力流量计原则上可以测量两相流体，但实际上这只是在一定范围内有效。特别是当气、液两相中，气相所占比例增大到一定量值时，流量计将不能正常工作。因此，在实际应用中尽量安装在管线上最低处，始终让管线充满液体，尽量减少两相流对科氏力流量计的影响。对易产生气化的液体测量在表前安装消气器，或在流量计下游提供足够背压，确保流量计测量准确。

3 科氏力流量计在贸易交接计量中的应用

为了保证我厂成品油出厂计量准确，减少成品油出厂损耗，避免由于完全靠人工检尺计量带来的人为误差，从1995年开始对出厂管线引进国外先进高精度科氏力流量计，到目前已在所有出厂管线上都安装科氏力流量计，同时在水路出厂各码头安装电动阀，二次信号采用深圳公司开发的计量监控管理系统，自动打印采集数据，交接计量单及统计报表，并可查询发油过程流量、密度、温度趋势。

3.1 数据对比

为了使科氏力流量计既为工厂取得经济效益和社会效益，又使用户完全接受这一项新技术，一方面向用户宣传应用科氏力流量计的优点及人工计量的弊病，另一方面坚持仪表量和人工量并举进行。用真实的数据说话，使怀疑者打消故虑。表1为1997年刚投用0#柴油科氏力流量计部分仪表量与人工量比较数据。投用6年后对0#柴油表又进行比对。

表1 0#柴油科氏力流量计人工量与仪表量比对数据表

从以上数据及用户反映情况来看，科氏力流量计投用确实维护了武汉石化的效益和信誉，得到了用户的认可。

由于码头出厂管线电动阀离船仍有近200m，管线约2～3吨油，因此经常引起船方计量争议，差量刚好2t油左右，上一船多，下一船少，跟罐量无关。因此建议厂部在码头平台上装高精度体积流量计进行监控。目前在码头上共装五台体积流量计，对所有出厂的汽油和柴油品种进行比对、监督。表2是科氏力流量计与体积表比对数据。

表2 科氏力流量计与体积表比对数据

从表2看出：由于操作可能不规范，从码头平台到船上管线全部放空，如果阀门内漏则龙门架油品也可能放空，造成体积表量比科氏力流量计大，如8月8日202#平台体积表比流量计大3.505t,偏大，但大部分情况很正常。

3.2 效益分析

成品油出厂计量采用科氏力流量计计量及电动阀控制系统后，不仅大大减少了与用户商务纠纷，提高了工信誉，而且大大减少了成品油出厂损失，具有良好的经济效益和社会效益。

1)由于不需要检尺，大大缩短油品出厂时间，加速油品周转，最大限度降低油品库存，加速资金周转，提高资金利用率；同时大大减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率。

2)以前轻油、重油罐区出现窜油等事故造成效益流失，但科氏力流量计的投用仍能准确地测量发油量，对罐区起监控作用。

3)科氏力流量计具有自动测量温度和密度功能，对罐区温度及密度取比对监督作用。

4)高精度体积表投用有效监控码头及管输发油情况，避免非正常发油状态可能造成的计量纠纷，提高油品出厂的可靠性和准确性，更有利于计量的公平、公正原则。

4 结论

目前科氏力式流量计已成为应用广泛和成熟的流量测量仪表。通过对影响质量流量参数分析，采取相应对策，并在实际应用中加以改进，提高其测量准确度，保证了科氏力流量计在我厂交接计量中的成功应用。

[1] 肖素琴.质量流量计应用.北京:中国石化出版社，1997

[2] 肖明耀.误差理论与应用.北京:中国计量出版社，1985

[3] 程达.流量计结构、使用维修和检定.中国石油天然气管道局，1992

[4] 纪纲.流量测量仪表应用技巧.北京:化学工业出版社，2012

[5] 肖素琴.油品计量员读本.北京:中国石化出版社，2007

[6] 石油静态和轻烃计量标准化技术归口单位编.石油计量表.北京:中国标准化出版社,1999

[7] 张红亮.体积管校验核查科里奥利质量流量计误差分析.计量技术，2014(7)

10.3969/j.issn.1000-0771.2015.10.23