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电磁流量计

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不同介质温度下电磁流量计特征系数的实验分析

来源:作者:发表时间:2017-10-14 09:09:57

        电磁流量计的测量通道是一段无阻流件的光滑直管,不易阻塞,因此适用于测量含有固体颗粒或纤维的固液两相流量。电磁流量计因具有压力损失相对较小、量程范围和口径范围宽、反应灵敏、可测量瞬时脉动流量及可测量正反两个方向的流量等特点,已广泛应用于高温化工工业现场中,实现对各种导电液体的流量测量 。

 
        目前,电磁流量计的出厂检验与检定工作是在实验室常温参考条件下进行的,但实际工业现场通常是高温环境,与实验室参考条件有较大偏离,由此对电磁流量计造成的测量误差尚不明确。尽管学者们对电磁流量计进行了大量研究分析 ,但很少涉及到流体介质温度变化对电磁流量计测量误差的影响。2017 年,许瑞祥对 3 个不同品牌的电磁流量计进行了实验研究,提出高精度电磁流量计会受到介质温度的影响 [8] 。为了使检定和计量工作更加科学合理,笔者结合电磁流量计的工业现场应用条件,应用国家蒸汽流量计量站静态质量法水流量标准装置,就介质温度对电磁流量计特征系数的影响进行实验研究。
 
1 电磁流量计的工作原理
        在感应强度为 B 的磁场中,垂直于磁场方向放置一个内径为 D 的不导磁管道,根据法拉第电磁感应定律,当导电液体在管道中以流速*****流动时,导电流体将切割磁感线,导体两端将产生感生电动势 E,即:
20171014091020.jpg
式中 k———比例常数。
圆形截面管道的体积流量 q V 为:
20171014091025.jpg
结合式(1)、(2)可得:
20171014091029.jpg
20171014091033.jpg,则式(3)可进一步表示为:
20171014091037.jpg
           定义 K 为电磁流量计的特征系数,该系数通常由实流标定得到。然而当介质温度升高时:流体在管道中的流场分布情况会发生变化;流体粘度变小,流速增大;传感器通径会发生变化。基于此,笔者重点研究介质温度对电磁流量计特征系数的影响。
 
2 电磁流量计特征系数的修正
           特征系数的主要任务是将外在环境因素引起的测量误差、传感器测量管内径误差、磁感应强度误差、流速分布非轴对称性和电磁流量计制作工艺引起的误差,代入特征系数表达式并予以修正。
 
           以 DN80mm 电磁流量计为例,其工作方式为脉冲输出,输出频率 5kHz,设电磁流量计的脉冲系数(单位体积的被测介质满管经过电磁流量计时发出的脉冲数)K' 0 = 150000m-3 。选用静态质量法水流量标准装置进行实验,测试温度范围为16. 7 ~63. 0℃,待被测介质温度和流量稳定后,在实测 时 间 间 隔 内 收 集 到 的 被 测 液 体 重 量 为(W s ) ij ,经过被测液体密度和空气浮力修正计算得到的标准体积为(V s ) ij 。设被测电磁流量计第 i个流量点第 j 次实测时间间隔输出的脉冲数为N ij ,则第 i 个流量点第 j 次实测的脉冲系数 K' ij为:
20171014091148.jpg
每个流量点的脉冲系数 K' i 为:
20171014091152.jpg
利用 K' i 对电磁流量计的初始特征系数 K 0(由流量计说明书或铭牌获得)进行修正后,每个流量点的特征系数 K i 为:
20171014091156.jpg
当被测电磁流量计确定时,K' 0 为定值。
在温度 t 下,电磁流量计的特征系数 K t 为:
0171014091200.jpg
第 i 个流量点第 j 次实测的示值误差 E ij 为:
20171014091203.jpg
每个流量点的示值误差 E i 为:
20171014091207.jpg
每个流量点的重复性 E r 为:
20171014091211.jpg
某温度点电磁流量计的相对示值误差 E t 为流量计在该温度下,各流量点的相对示值误差的最大值。
 
3实验与误差分析
3.1实验方案
        采用国家蒸汽流量计量站静态质量法水流量标准装置进行实验研究,流量测量范围1~600m3/h,扩展不确定度Urel=0.05%(k=2)。以水为实验介质,选取DN80mm和DN100mm的0.5级电磁流量计,每个测试点测量3次,共180次测试,研究电磁流量计特征系数随温度变化的特性。具体实验方案见表1。
研究电磁流量计特征系数随温度变化的特性
3.2实验数据与误差分析
        首先,在常温16.7℃下对被测流量计进行标定,得到标定后的脉冲系数K'0,并修正初始特征系数K0。对流量计的特征系数进行修改后,得到DN80mm电磁流量计的特征系数为0.9205,脉冲系数为150000m-3;DN100mm电磁流量计的特征系数为1.1313,脉冲系数为90000m-3。
 
        利用蒸汽对水箱中的水进行换热,以达到目标温度;利用流量调节阀调节到目标流量后即可进行测试。实验结果如图1所示,其中Kij表示被测电磁流量计第i个流量点第j次实测的脉冲系数修正后的特征系数。可以看出,高温对被测电磁流量计特征系数的影响较明显,DN100mm电磁
流量计的特征系数在高低温处的最大变化量为0.9%。特征系数在温度变化范围内的整体趋势可以分为以下3个阶段:
        a.当流体介质温度在16.7~30.0℃时,与K0相比Kt略减小,但变化不明显,可以忽略;
        b.当流体介质温度在30~55℃时,与K0相比Kt继续减小,但Kt仍趋于稳定;
        c.当流体介质温度高于55℃时,特征系数Kt在阶段b的基础上再减小。
两种口径的电磁流量计特征系数随温度的变化情况
        被测电磁流量计特征系数的相对误差如图2所示。
两种口径的电磁流量计特征系数的相对误差
        由图2可以看出,DN80mm和DN100mm电磁流量计第i个流量点第j次实测的特征系数Kij的相对误差上限分别为0.23%和0.25%,相对误差下限分别为-0.51%和-0.65%。
 
        根据JJG1033-2007[9],DN80mm和DN100mm电磁流量计在不同温度下的相对示值误差和重复性见表2。可以看出,当流体温度在16.7~30.0℃时,磁流量计的相对示值误差在±0.13%以内,笔者认为在此温度范围内,介质温度变化对电磁流量计的影响可以忽略。当流体温度在30~63℃时,电磁流量计的相对示值误差正偏,最大误差为0.60%,对于DN100mm的电磁流量计,其相对示值误差已经超出了0.5级电磁流量计的精度范围。因此,当电磁流量计用于高温环境的高精度测量时,介质温度的影响一定不能忽略。
 
        根据上述分析,当流体温度在30~55℃时,DN80mm电磁流量计特征系数的修正值Δ80=-0.0015,DN100mm电磁流量计特征系数的修正值Δ100=-0.0019;当流体温度高于55℃时,Δ80=-0.0018,Δ100=-0.0034。因此可以得到,当流体温度高于30℃时,电磁流量计征系数K=K0+Δ。将修正后的特征系数应用于电磁流量计测量实验中,得到DN80mm和DN100mm电磁流量计的相对示值误差最大值为0.03%。
 
4结束语
        笔者采用国家蒸汽流量计量站静态质量法水流量标准装置,选取DN80mm和DN100mm的0.5级电磁流量计,研究了电磁流量计特征系数随温度变化的特性。当流体温度在16.7~30.0℃时,电磁流量计相对示值误差在±0.13%以内,介质温度变化对电磁流量计的影响可以忽略。当流体温度在30~63℃时,电磁流量计相对示值误差正偏,最大误差为0.60%,对于DN100mm电磁流量计,其相对示值误差已经超出了0.5级电磁流量计的精度范围。由于本次实验测试数据有限,且流体温度仅测试到63℃,不能直接给出介质温度与电磁流量计特征系数的修正公式,故后续仍需对该课题做深入研究。