科氏流量計殘余應力影響與處理

李睿娣,任東順,秘長青

(太原太航流量工程有限公司，山西 太原 030006)

科氏流量計殘余應力影響與處理

李睿娣,任東順,秘長青

(太原太航流量工程有限公司，山西 太原 030006)

為提高科氏流量計的精度，對科氏流量計的精度與科氏傳感器的應力進行了研究。從科氏流量計的原理及結構出發(fā)，分析了應力與零點穩(wěn)定度的關系，發(fā)現(xiàn)各種不平衡的殘余應力給科氏傳感器的零點穩(wěn)定性帶來了嚴重影響。采用熱時效、振動時效兩種方法對兩臺標定不合格的傳感器分別進行處理，將兩臺流量計的精度均從1級提高到了0.1級。焊縫的應力檢測及傳感器標定結果表明，處理后的焊縫殘余應力得到降低與均化，科氏傳感器的零點穩(wěn)定度及精度得到顯著提高。將該方法推廣到大量的科氏傳感器上，得到了非常好的應用效果。該方法既提高了科氏流量計的精度，又縮短了生產(chǎn)交貨周期，大大提升了生產(chǎn)效率與產(chǎn)品質量。該方法同樣適用于提升具有復雜機械結構的傳感器的穩(wěn)定度及精度。

科氏流量計； 零點穩(wěn)定度； 殘余應力； 熱時效； 電磁干擾； 精度

0 引言

科氏流量計在石化行業(yè)的應用非常廣泛，很多用戶針對科氏流量計在應用過程中由于零點漂移造成的計量誤差，提出了一些糾正辦法，如通過在工況狀態(tài)下對科氏流量計進行零校準，來消除由于工況狀態(tài)的溫度、壓力、安裝等因素與檢定狀態(tài)不同所引起的零點不同而帶來的計量誤差。對于不同的工藝壓力與檢定壓力，則采用帶有壓力補償?shù)牧髁坑嫞ㄟ^輸入工藝壓力來修正計量誤差。選取合適的流量范圍，無應力安裝，確保液體充滿流量計振管；設置足夠的背壓防止液體汽化；定期進行零點檢查和調整；遠離泵房及振動源、加強工藝管道的固定與支撐，避免電磁干擾[1-6]等方式減小因零點不穩(wěn)定帶來的誤差。這些方法都使科氏流量計得到了廣泛的應用。

也有從科氏傳感器本身考慮，優(yōu)化設計定距板、分流器、外殼，提高零點穩(wěn)定度，減小因零點造成的計量誤差[1]；從制造工藝、零點穩(wěn)定性角度分析了傳感器上非對稱布置的驅動器、信號檢測器以及集中質量對誤差的影響[7]；但是鮮有從制造角度研究各種殘余應力對計量精度的影響。石化行業(yè)對用于貿易交接計量的高精度(0.1級)科氏流量計的需求越來越多，因此提高科氏流量計自身的零點穩(wěn)定度及精度越來越重要。

1 科氏流量計工作原理及組成

科氏流量計是基于科里奧利原理的質量流量測量儀表，由傳感器和變送器兩部分組成?？剖狭髁坑嫷慕Y構與原理如圖1所示。

圖1 科氏流量計結構圖與原理圖

傳感器主要由支架、振管、激振元件、檢測元件、鉑電阻組成。兩根振管在激振元件作用下繞X軸沿相反方向振動，當振管中有流體流過時，振管中進、出口段的流體受到相反的科氏力的作用，科氏力反作用于振管，使振管發(fā)生繞Y軸的扭轉振動。安裝在振管兩側的檢測元件檢測到相位不同的兩組信號，這兩組信號的時間差(或相位差)與流經(jīng)傳感器的流體的質量流量成正比；振管繞X軸振動的頻率隨流體密度的變化而變化，由此可計算出流體的質量流量和密度。安裝在振管上的鉑電阻可間接測量流體的溫度，據(jù)此可對流體的流量和密度進行修正。變送器由振管一側的信號檢測器、放大電路、電磁驅動器等共同構成一個正反饋回路，以維持傳感器系統(tǒng)的振動。

2 應力與零點穩(wěn)定度

科氏流量計的流量由傳感器進出口段的檢測信號的時間差或相位差與零點的差值計算得到。在零流量時，對流量計作零校準，得到流量計的零點；而在零校準之后,盡管流量計內介質是靜止的,但零點仍在變化，流量計仍顯示瞬時質量流量,且隨著時間和溫度的變化而波動。波動的幅度越小，說明流量計的零點越穩(wěn)定，零點波動對流量計計量誤差的影響就越小，流量計的性能也越穩(wěn)定。通常用零點穩(wěn)定度反映零點波動的幅度。

科氏流量計的零點由變送器和傳感器兩部分的零點組成。變送器的零點漂移主要是由于電子元件因溫度、時間變化產(chǎn)生漂移而造成的。傳感器因介質溫度、壓力及密度變化和不良安裝引起的安裝狀態(tài)變化導致振管應力變化，進而產(chǎn)生零點漂移。該漂移是構成流量計零點漂移的主要成分。這些因使用過程中的外部因素導致的零點漂移，可以通過重新零校準降至最低[8-9]，但前提是流量計在穩(wěn)定的性能參數(shù)、安裝及外部條件下，自身的零點穩(wěn)定度很高。

零點穩(wěn)定度是科氏流量計的一個非常重要的性能指標。不同廠家的產(chǎn)品，其零點穩(wěn)定度指標各不相同。因此，看似標稱精度相同的流量計，實際的流量誤差并不相同。不同產(chǎn)品在長期使用或不同工況下的誤差表現(xiàn)更是千差萬別。因此，對科氏流量計的不穩(wěn)定因素的研究發(fā)現(xiàn)，提高零點穩(wěn)定度是提高科氏流量計計量精度的最重要的途徑之一。

傳感器自身的零點穩(wěn)定度，在傳感器出廠時就已基本確定，對設計制造過程中的各種與零點穩(wěn)定度有關因素的恰當設計、選材與工藝處理是保證傳感器零點穩(wěn)定度的關鍵。

制造過程會產(chǎn)生機械加工應力、裝配應力、焊接應力等各種應力。在制造完成后，內部殘余的不平衡或不穩(wěn)定的應力隨著外界因素及時間而緩慢變化，造成傳感器零點的長期不規(guī)則波動，必須采取措施快速完成這個過程，否則將嚴重降低流量計的精度與量程范圍，影響產(chǎn)品的按時交付。

3 殘余應力穩(wěn)定化處理

3.1 熱時效處理

對2臺第一次標定精度為1級的傳感器進行試驗研究。1號傳感器第一次與變送器配標，標定前后的零點變化較大，最大誤差為0.62%。1號傳感器熱時效前標定結果如表1所示。

表1 1號傳感器熱時效前標定結果

對該傳感器進行熱時效處理，即按照特定的工藝曲線進行真空加熱。1號傳感器熱時效前后應力檢測結果如圖2所示。

圖2 1號傳感器熱時效前后應力檢測結果圖

處理前，利用無損檢測X射線應力檢測方法，對其振管與支架結合部的焊縫應力進行垂直檢測，檢測點1～5與檢測點6～8分別位于同一根振管的進口處與出口處，檢測點2、7位于焊縫中心，檢測點1、3、6、8位于焊縫邊緣處，檢測點4、5位于距焊縫兩側熱影響區(qū)約3 mm處。

熱時效處理后再次標定，標定前后的零點幾乎沒有變化，最大誤差由之前的0.62%降到了0.1%。1號傳感器熱時效后標定結果結果如表2所示。

表2 1號傳感器熱時效后標定結果

3.2 振動時效處理

2號傳感器第一次與變送器配標，標定前后的零點漂移較大，最大誤差為0.826%。2號傳感器振動時效前標定結果結果如表3所示。

表3 2號傳感器振動時效前標定結果

對2號傳感器進行振動時效處理，即將傳感器置于振動臺上，按照特定的振動時效工藝對其進行振動時效檢測。傳統(tǒng)的方法是將傳感器與變送器連接通電，使傳感器在其工作頻率下振動，用時約2天至2個月，甚至更長。處理前后分別對其振管與支架結合部位的焊縫進行應力檢測，檢測點位置與1號傳感器相對應。2號傳感器熱時效前后應力檢測結果如圖3所示。

圖3 2號傳感器熱時效前后應力檢測結果圖

同樣，對該傳感器進行振動時效處理后再次標定，標定前后零點幾乎沒有變化，最大誤差由之前的0.826%降到了0.1%。2號傳感器振動時效后標定結果結果如表4所示。

表4 2號傳感器振動時效后標定結果

采用同樣的方法，對另外幾臺傳感器也進行了處理。應力檢測數(shù)據(jù)表明，焊縫的殘余應力峰值下降，結構應力得到均化。振動時效對提高大型焊接結構件的尺寸穩(wěn)定性也十分有效[9]。標定結果表明，傳感器的零點穩(wěn)定度明顯得到改善，計量精度大幅提高。

4 結束語

采用熱時效或振動時效的方法對傳感器進行處理，傳感器內部的殘余應力可以迅速得到降低與均化，提高了傳感器的疲勞壽命。該時效方法既縮短了生產(chǎn)周期、提高了生產(chǎn)效率，又使傳感器的零點穩(wěn)定性得到顯著改善、計量精度大幅提高、量程范圍得到擴展，為科氏流量計大批量用于貿易交接計量提供了保證。同時，該時效方法也可用于類似的較復雜的機械結構傳感器的穩(wěn)定化處理。

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[9] 王德全，劉新杰.振動時效對焊接殘余應力影響的試驗研究[J].工程機械，2011，42(5):29-31.

Influence and Treatment of the Residual Stress of Coriolis Flowmeter

LI Ruidi,REN Dongshun,MI Changqing

(Taiyuan Taihang Coriolis Mass Flowmeter Co.,Ltd.,Taiyuan 030006,China)

In order to improve the accuracy of Coriolis flowmeter, the accuracy of Coriolis flowmeter and the stress of Coriolis sensor are studied. On the basis of the principle and structure Coriolis flowmeter, the relationship between stress and stability of zero point is analyzed. It is found that various unbalancing residual stresses seriously impact on the zero point stability of the Coriolis sensor. Using thermal aging and vibration aging methods, two of the calibration failed sensors are processed respectively, the accuracy of these two flowmeters are raised from grade 1 to grade 0.1. The stress test results of welding seam and the calibration results of sensor show that after processing, the residual stress of welding seam is reduced and homogenized; the zero point stability and precision of the Coriolis sensor are improved remarkably. This method is widely promoted to a large number of Coriolis sensors with very good applicable effects, both to improve the accuracy of Coriolis flowmeter, and shorten the production lead time, greatly enhance the production efficiency and product quality. This method is also suitable for increasing the stability and accuracy of other sensors with more complex types of mechanical structures.

Coriolis mass flowmeter； Stability of zero point； Residual stress； Thermal aging；Electromagnetic interforence； Accuracy

李睿娣(1965—)，女，碩士，高級工程師，主要從事流量計量、科氏質量流量計的研究。E-mail：867672264@qq.com。

TH814;TP2

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201703022

修改稿收到日期：2016-07-24