不同介質(zhì)溫度下電磁流量計特征系數(shù)的實驗分析

姜 燕 蘇慶文 許文達(dá) 高 璐

(1.煙臺市計量所；2.國家蒸汽流量計量站)

不同介質(zhì)溫度下電磁流量計特征系數(shù)的實驗分析

姜 燕1,2蘇慶文1,2許文達(dá)1,2高 璐1,2

(1.煙臺市計量所；2.國家蒸汽流量計量站)

介紹電磁流量計的工作原理，給出電磁流量計特征系數(shù)的修正公式。以水為實驗介質(zhì)，基于靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，研究了介質(zhì)溫度對電磁流量計特征系數(shù)的影響。結(jié)果表明：當(dāng)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(nèi)，介質(zhì)溫度的影響可以忽略；當(dāng)流體溫度在30～63℃時，介質(zhì)溫度的影響不能忽略。將修正后的特征系數(shù)應(yīng)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最大值為0.03%，滿足實驗要求。

電磁流量計 特征系數(shù) 介質(zhì)溫度 修正值

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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粒或纖維的固液兩相流量。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(yīng)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(yīng)用于高溫化工工業(yè)現(xiàn)場中，實現(xiàn)對各種導(dǎo)電液體的流量測量[1～5]。

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(jìn)行的，但實際工業(yè)現(xiàn)場通常是高溫環(huán)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(xué)者們對電磁流量計進(jìn)行了大量研究分析[3～7]，但很少涉及到流體介質(zhì)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(jìn)行了實驗研究，提出高精度電磁流量計會受到介質(zhì)溫度的影響[8]。為了使檢定和計量工作更加科學(xué)合理，筆者結(jié)合電磁流量計的工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用條件，應(yīng)用國家蒸汽流量計量站靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，就介質(zhì)溫度對電磁流量計特征系數(shù)的影響進(jìn)行實驗研究。

1 電磁流量計的工作原理

(1)

式中k——比例常數(shù)。

圓形截面管道的體積流量qV為：

(2)

結(jié)合式(1)、(2)可得：

(3)

定義K為電磁流量計的特征系數(shù)，該系數(shù)通常由實流標(biāo)定得到。然而當(dāng)介質(zhì)溫度升高時：流體在管道中的流場分布情況會發(fā)生變化；流體粘度變小，流速增大；傳感器通徑會發(fā)生變化?；诖耍P者重點研究介質(zhì)溫度對電磁流量計特征系數(shù)的影響。

2 電磁流量計特征系數(shù)的修正

特征系數(shù)的主要任務(wù)是將外在環(huán)境因素引起的測量誤差、傳感器測量管內(nèi)徑誤差、磁感應(yīng)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(shù)表達(dá)式并予以修正。

在溫度t下，電磁流量計的特征系數(shù)Kt為：

第i個流量點第j次實測的示值誤差Eij為：

每個流量點的示值誤差Ei為：

每個流量點的重復(fù)性Er為：

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最大值。

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(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行實驗研究，流量測量范圍1～600m3/h，擴(kuò)展不確定度Urel=0.05%(k=2)。以水為實驗介質(zhì)，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(shù)隨溫度變化的特性。具體實驗方案見表1。

表1 實驗方案

3.2 實驗數(shù)據(jù)與誤差分析

利用蒸汽對水箱中的水進(jìn)行換熱，以達(dá)到目標(biāo)溫度；利用流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)到目標(biāo)流量后即可進(jìn)行測試。實驗結(jié)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(shù)修正后的特征系數(shù)。可以看出，高溫對被測電磁流量計特征系數(shù)的影響較明顯，DN100mm電磁流量計的特征系數(shù)在高低溫處的最大變化量為0.9%。特征系數(shù)在溫度變化范圍內(nèi)的整體趨勢可以分為以下3個階段：

a. 當(dāng)流體介質(zhì)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(dāng)流體介質(zhì)溫度在30～55℃時，與K0相比Kt繼續(xù)減小，但Kt仍趨于穩(wěn)定；

c. 當(dāng)流體介質(zhì)溫度高于55℃時，特征系數(shù)Kt在階段b的基礎(chǔ)上再減小。

圖1 兩種口徑的電磁流量計特征系數(shù)隨溫度的變化情況

被測電磁流量計特征系數(shù)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(shù)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(shù)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(jù)JJG 1033-2007[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(fù)性見表2?？梢钥闯觯?dāng)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(nèi)，筆者認(rèn)為在此溫度范圍內(nèi)，介質(zhì)溫度變化對電磁流量計的影響可以忽略。當(dāng)流體溫度在30～63℃時，電磁流量計的相對示值誤差正偏，最大誤差為0.60%，對于DN100mm的電磁流量計，其相對示值誤差已經(jīng)超出了0.5級電磁流量計的精度范圍。因此，當(dāng)電磁流量計用于高溫環(huán)境的高精度測量時，介質(zhì)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(fù)性

根據(jù)上述分析，當(dāng)流體溫度在30～55℃時，DN80mm電磁流量計特征系數(shù)的修正值Δ80=-0.0015，DN100mm電磁流量計特征系數(shù)的修正值Δ100=-0.0019；當(dāng)流體溫度高于55℃時，Δ80=-0.0018，Δ100=-0.0034。因此可以得到，當(dāng)流體溫度高于30℃時，電磁流量計特征系數(shù)k=k0+Δ。將修正后的特征系數(shù)應(yīng)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最大值為0.03%。

4 結(jié)束語

筆者采用國家蒸汽流量計量站靜態(tài)質(zhì)量法水流量標(biāo)準(zhǔn)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(shù)隨溫度變化的特性。當(dāng)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(nèi)，介質(zhì)溫度變化對電磁流量計的影響可以忽略。當(dāng)流體溫度在30～63℃時，電磁流量計相對示值誤差正偏，最大誤差為0.60%，對于DN100mm電磁流量計，其相對示值誤差已經(jīng)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(shù)據(jù)有限，且流體溫度僅測試到63℃，不能直接給出介質(zhì)溫度與電磁流量計特征系數(shù)的修正公式，故后續(xù)仍需對該課題做深入研究。

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ExperimentalAnalysisoftheCharacteristicCoefficientofElectromagneticFlowmeterwithDifferentMediumTemperatures

JIANG Yan1,2, SU Qing-wen1,2, XU Wen-da1,2, GAO Lu1,2
(1.YantaiInstituteofMetrology; 2.NationalSteamFlowrateMeasurementStation)

The working principle of electromagnetic flowmeter was introduced and formula correction for its characteristic coefficient was presented. Taking the water as experimental medium and basing on static mass method-supported water flow standard system, the water temperature influence on characteristic coefficient of the electromagnetic flowmeter was investigated to show that, when fluid temperature ranges from 16.7℃ to 30.0℃, the relative error displayed by the electromagnetic flowmeter stays within ±0.13% and the influence of medium temperature can be ignored;when the medium’s temperature stays at 30.0℃ th 63.0℃,the influence of this temperature has to be considered. Applying the revised characteristic coefficient to the measurement experiment of the electromagnetic flowmeter shows that, the maximum value of relative indication error of the electromagnetic flowmeter (DN80mm,DN1000mm) is 0.03% which satisfying experimental requirement.

electromagnetic flowmeter, characteristic coefficient, medium temperature, corrected value

TH814+.93

A

1000-3932(2017)09-0841-04

2017-03-31，

2017-04-27)

姜燕(1963-)，高級工程師，從事流量計量工作，gaolu08zdh@126.com。