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        不同介質溫度下電磁流量計特征系數的實驗分析

        來源:作者:發表時間:2017-10-14 09:09:57

                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,許瑞祥對 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 [8] 。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*****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:
        20171014091020.jpg
        式中 k———比例常數。
        圓形截面管道的體積流量 q V 為:
        20171014091025.jpg
        結合式(1)、(2)可得:
        20171014091029.jpg
        20171014091033.jpg,則式(3)可進一步表示為:
        20171014091037.jpg
                   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(W s ) 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(V s ) 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N ij ,則第 i 個流量點第 j 次實測的脈沖系數 K' ij為:
        20171014091148.jpg
        每個流量點的脈沖系數 K' i 為:
        20171014091152.jpg
        利用 K' i 對電磁流量計的初始特征系數 K 0(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 K i 為:
        20171014091156.jpg
        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 K t 為:
        0171014091200.jpg
        第 i 個流量點第 j 次實測的示值誤差 E ij 為:
        20171014091203.jpg
        每個流量點的示值誤差 E i 為:
        20171014091207.jpg
        每個流量點的重復性 E r 為:
        20171014091211.jpg
        某溫度點電磁流量計的相對示值誤差 E t 為流量計在該溫度下,各流量點的相對示值誤差的**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。
        研究電磁流量計特征系數隨溫度變化的特性
        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0.9205,脈沖系數為150000m-3;DN100mm電磁流量計的特征系數為1.1313,脈沖系數為90000m-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**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。
        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。
        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JJG1033-2007[9],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,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,**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。
         
                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**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,**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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