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浅谈电磁流量计在线检定中的误差分析
来源： 发布日期：2019-07-30 15:54:00 作者：
摘要：原油贸易计量的准确与否，直接关系到企业的经济效益。介绍了容积式电磁流量计的结构及工作原理，从计量的准确性与合规性着手，具体分析了在线检定过程中工艺阀门密封性、脉冲计数、工艺参数、电磁流量计自身特性等的影响，共同探讨了提高检定准确性的方法，并提出了相应的改进措施，保障了计量交接的准确性。容积式电磁流量计受计量介质物性、流态的影响较小，具有计量准确度高、运转平稳、噪音低、使用寿命长、黏度适应性强等优点，易实现就地指示和远传，从而广泛地应用于石油及其液体产品的贸易动态计量中［１］。原油贸易交接的准确性，直接影响着企业的经济效益，用标准体积管直接进行流量计的在线检定，既方便了电磁流量计的检定，又不影响原油的收、销贸易交接计量，避免了流量计在拆卸、安装、运输过程中所造成的破坏。在减轻岗位操作人员劳动强度的同时，有力地保障了计量交接的准确性，使企业实现经济效益最大化。
１电磁流量计的结构及工作原理
１.１现场设备配备情况
某原油贸易计量站位于长输管道的终端，收销的重质原油是典型的“三高原油”，即黏度高、密度高、胶质沥青含量高。计量站配备了４台ＬＨ８－Ｓ３型０.２级电磁流量计，检定装置配套为固定式双向球型标准体积管。根据ＪＪＧ６６７—２０１０《液体容积式流量计检定规程》的规定，对于准确度等级不低于０.５级的流量计，检定周期为０.５ａ，其他为１ａ。
１.２结构及工作原理
电磁流量计由转子、凸轮、凸轮轴、刮板、连杆、滚柱、盖板、壳体、齿轮组、器差调整器和表头等组成。在精密加工的电磁流量计壳体内，转子带着刮板转动。原油流过电磁流量计时，刮板沿着固定的凸轮轨迹向转子外伸出或缩回，从而推动转子和刮板沿转子轴旋转。刮板连续不断地运动，在２个刮板、转子、内壳体和上盖间形成了１个精确容积的计量腔。对于具有２对刮板的电磁流量计，转子每转１圈会形成４个封闭的计量腔（３对刮板的电磁流量计转子每转１圈形成６个封闭的计量腔）。转子和刮板在转动运行过程中，不与内壳体或上盖接触，而是通过齿轮组将转动的次数输送到表头，表头的计数器根据齿轮组与体积的换算再将转动的次数转换为实际测量的体积，从而达到对原油进行计量的目的。
２电磁流量计在线检定
２.１检定原理
固定式双向球型标准体积管的置换器是弹性球，它是通过１台四通阀内隔板的位置来改变体积管液体的流向，而体积管进出的液体流向保持不变。当流体稳定地流经被检电磁流量计和体积管时，正向行程由位移器经过第１只检测开关时触动电磁流量计脉冲计数器开始计数；当位移器经过第２只检测开关时，停止电磁流量计脉冲计数器计数。反向行程由位移器经过第２只检测开关时触动电磁流量计脉冲计数器开始计数；当位移器经过第１只检测开关时，停止电磁流量计脉冲计数器计数。位移器从２只检测开关之间的正反计量段所置换出来的流体体积，与电磁流量计的视值相比较，进而可以确定被检电磁流量计的视值误差［２］。电磁流量计检定示意如图１所示。
２.２检定数据处理
依据ＪＪＧ６６７—２０１０《液体容积式流量计检定规程》７.３.４.２款规定“除７.３.４.１款中规定的情况外，电磁流量计检定点不少于３个，均匀分布，其中含最小流量和最大流量”的要求，被检电磁流量计至少应在最大流量、常用流量、最小流量３个点进行检定，每点重复检定不少于３次，若出现粗差，可以剔除［２］。检定时，准确地取全电磁流量计和标准体积管的温度、压力数据，以及电磁流量计的脉冲数。
式中：Ｖｓ———标准装置读出的容积，Ｌ；Ｃｐｓｐ———标准体积管基准管段壳壁的压力修正系数；Ｃｔｓｐ———标准体积管基准管段壳壁的温度修正系数；Ｃｔｌｐ———标准体积管基准管段中捡定液体的温度修正系数；Ｃｐｌｐ———标准体积管基准管段中检定液体的压力修正系数；Ｎ———在工作温度、压力下对单向标准体积管１个行程或双向标准体积管上、下行程电磁流量计发出的脉冲数；Ｋ———电磁流量计的仪表系数，即电磁流量计的脉冲发生器在工作条件下发生的每个脉冲所代表的容积值。
３影响电磁流量计在线检定的因素
通过分析检定过程及电磁流量计系数的计算公式，归纳出检定过程中导致计量误差的影响因素包括：工艺阀门密封性的影响、脉冲计数的影响、工艺参数的影响、电磁流量计自身特性的影响。
3.１工艺阀门密封性的影响为了实现电磁流量计的在线检定，在工艺流程上设计了电磁流量计检定流程，检定流程与生产流程的切换通过阀门完成。由于在线检定过程中无法给工艺流程阀门加盲板，阀门如有泄漏也无从所知。四通阀是双向球型标准体积管的重要部件，用于控制流体的方向，并且可使体积管进、出口的液体完全隔离，通过四通阀的换向实现电磁流量计的双向检定，因此工艺流程上各阀门和四通阀的密封性将直接影响到电磁流量计检定的可靠性和计量设备的安全性。而实际操作过程中，往往忽略了这些影响，特别是阀门的泄漏问题，通常都是按照阀门无泄漏直接开展检定工作，并没有进行相关的检查和试验。
３.２脉冲计数的影响
当位移器经过检测开关时触动电磁流量计脉冲计数器计数，发射的脉冲是有宽度的，计数方式为上升沿或下降沿触发，实际计数中可能会丢失不完整的脉冲，取其极限，相当于丢失１个脉冲，脉冲计数的准确性直接影响检定结果的准确性。
３.３工艺参数的影响
由式（１）的分解可知［２］，工艺参数对ＭＦ值的影响是多方面的。
由式（２）～式（５）可以看出，修正系数与温度、压力、体积管材质、标准体积管内径等参数有着密切的关系，其值准确与否也直接影响到电磁流量计检定结果的可靠程度。
３.３.１温度的影响
温度在电磁流量计检定过程中是影响较大的参数之一，温度的变化会影响一系列参数的变化，如液体黏度、结蜡量、泄漏量的变化，会直接影响电磁流量计计量误差曲线的改变［３］。当作为一种固有偏差存在时，随着运行时间的持续，误差量逐渐累加，其绝对影响量将不可忽视。
１）温度对原油的黏度有着十分重要的影响。一般来讲，油温升高，油品黏度下降；油温降低，油品黏度上升。
２）油温对含蜡油品结蜡的影响。被计量液体本身和计量设备的温度以及外部环境的温度对结蜡都有直接影响，当油温高于电磁流量计壳体或管壁温度时，产生结蜡现象；而当电磁流量计壳体或管壁温度高于油温时，几乎不结蜡。管壁温度的高低决定于环境温度及保温措施，对于电磁流量计及其配套的标准体积管和其他附属设备的温度主要决定于室内温度。因此，在电磁流量计检定过程中，决不能忽视电磁流量计间、体积管间的室内温度控制，在寒冷的冬天尤其重要。
３）温度对电磁流量计泄漏量的影响［４］。从电磁流量计的工作原理得知，计量腔的容积是当作定值来计算的，而计量腔是活动腔体，其密封由可活动的刮板与壳体的无缝接触来实现，由于加工精度的限制，以及刮板转动所必须的间隙，决定了刮板与壳体之间不同黏度的液体将有不同程度的泄漏，泄漏量的大小与原油的流量、温度、黏度、压力有密切的关系，影响最显著的是温度和黏度。当温度越高时，黏度越小，泄漏量就越大；当温度越低时，黏度越大，泄漏量就会越小。正常情况下，泄漏量对电磁流量计准确度的影响是在误差的允许范围内。
３.３.２压力的影响
在实际输油计量过程中，由于末站原油压力一般不超过４ＭＰａ，因此压力对电磁流量计的影响可忽略不计。但是，压力还影响原油的密度，当压力升高时，密度会增大。由于原油分子间距较小，内部压力很大，因而在外部压力变化时，原油密度变化很小，特别在压力变化不大时，密度变化很微小；然而在高压下，当电磁流量计进出口压力差达到０.３０４ＭＰａ以上时，其产生的误差已超过了电磁流量计计量系统误差的５％，要得到准确的计量结果，就必须考虑压力对密度的影响［５］。
３.４电磁流量计自身特性的影响
任何计量设备在长期运行过程中，其性能都将产生一定程度的偏移，特别是可动部件多的情况下。电磁流量计的刮板、凸轮、计数齿轮等，在长期运转过程中也会产生一定程度的磨损，刮板的磨损除正常运转的磨损外，当原油中杂质或固体颗粒较多时，磨损更严重，最终结果表现在电磁流量计的误差曲线将发生严重漂移。以某站电磁流量计检定为例，不同工况下的电磁流量计误差见表１所列。
４改进措施
４.１密封性试验
在电磁流量计进行检定前，需进行系统密封性和四通阀密封性试验。
１）系统密封性实验。即关闭电磁流量计进口阀门、标准体积管出口阀门、电磁流量计进口阀门到标准体积管出口阀门之间所有可能产生泄漏的阀门，对这段密封系统加压，直到该系统内的压力比电磁流量计进口阀前的压力高０.５ＭＰａ，观测３０ｍｉｎ，压力下降不大于０.１５ＭＰａ为密封性合格。
２）四通阀密封性试验。即操纵控制台，使通阀换向，当密封指示灯亮时，打开四通阀上的检漏针阀，如果原油流出一定量后停流，证明膨胀密封圈密封良好［６］。
４.２脉冲计数取值
脉冲插入法是以检定运行期间体积流量稳定为前提的。为保证液体的稳定性，体积管标定球运行期间，体积流量瞬时的波动应小于平均流量的±２％。采用双计时脉冲插入技术，实现对电磁流量计脉冲信号完整记录，避免由此给电磁流量计带来的误差［７］。双计时脉冲插入法示意操作原理如图２所示，插入的脉冲数按式（６）进行计算：
在检定运行期间，计数器需收集电磁流量计发出的完整脉冲总数ｎ，并测量２个时间间隔Ｔ１和Ｔ２，单位为ｓ。
图２中：Ｔ１（Ⅰ）是指第１只检测开关触发后电磁流量计发出的第１个脉冲与第２只检测开关触发后电磁流量计发出的第１个脉冲之间的时间间隔；Ｔ１（Ⅱ）是指第１只检测开关触发之前电磁流量计发出的最后１个脉冲与第２只检测开关触发之前电磁流量计发出的最后１个脉冲之间的时间间隔；Ｔ２为第１只与第２只检测开关触发信号之间的时间间隔。
４.３参数录取
工艺参数对检定结果的影响是多方面的，只能力求将其对检定结果的影响程度尽量降到最低。为此，在检定工作中，必须做到下面几点：
１）选择检定合格的测温仪表和测压仪表，精度等级应符合ＧＢ／Ｔ９１０９.３—２０１４《石油和液体石油产品动态计量第３部分：体积管安装计数要求》中４.２条中相关要求［８］。
２）检定前必须预热恒温，使电磁流量计进出口温度、体积管进出温度恒定，体积管和被检电磁流量计之间的温差变化不应超过±０.５℃。
３）读数时，应由两位检定人员同时读取温度计和压力表的示值，如若差异，应重新读数，以保证读数无误。读取温度、压力值时，必须保证检定球在检测开关之间的基准管段中运行时读数，此时所读的温度、压力示值，才是体积管标准体积进行温度、压力修正时所需的值。
４）在线检定尽量选择在原油黏度、密度、温度、压力、流量与通常运行时尽量一致的情况下进行，电磁流量计检定时的液体流量应能覆盖被检电磁流量计的检定流量范围，以最大限度地减少工艺参数对电磁流量计准确度的影响［９］。
５）体积管露天安装时，不应在雨雪、高温天气下开展检定工作，避免因油品结蜡或温场变化导致的计量误差［１０］。
６）电磁流量计检定后，应及时对电磁流量计本体的器差调整器及体积管触发器加铅封，直至下一次检定前不得解封。
４.４维护保养
可动部件的磨损是不可避免的，为提高计量的准确性，只能减少磨损的程度。通过定期给电磁流量计加注润油，定期清洗过滤网等日常维护保养等，以尽可能地保证电磁流量计长期稳定的运行。
５结束语
电磁流量计检定计量准确性的影响因素并不仅限于本文所述，比如原油在管壁内的结蜡问题，电磁流量计计数部件的磨损问题等，也将在一定程度上影响原油计量的准确度。在严格的检定程序前提下，应做好维护、保养工作，比如定时巡检，检查电磁流量计的工作温度、压损、流量大小、运行声音、定期维护保养等。只有做好细致的现场运行，才可能通过计量手段，提高计量的准确性，降低企业的运行成本，为企业的可持续发展作出贡献。
１电磁流量计的结构及工作原理
１.１现场设备配备情况
某原油贸易计量站位于长输管道的终端，收销的重质原油是典型的“三高原油”，即黏度高、密度高、胶质沥青含量高。计量站配备了４台ＬＨ８－Ｓ３型０.２级电磁流量计，检定装置配套为固定式双向球型标准体积管。根据ＪＪＧ６６７—２０１０《液体容积式流量计检定规程》的规定，对于准确度等级不低于０.５级的流量计，检定周期为０.５ａ，其他为１ａ。
１.２结构及工作原理
电磁流量计由转子、凸轮、凸轮轴、刮板、连杆、滚柱、盖板、壳体、齿轮组、器差调整器和表头等组成。在精密加工的电磁流量计壳体内，转子带着刮板转动。原油流过电磁流量计时，刮板沿着固定的凸轮轨迹向转子外伸出或缩回，从而推动转子和刮板沿转子轴旋转。刮板连续不断地运动，在２个刮板、转子、内壳体和上盖间形成了１个精确容积的计量腔。对于具有２对刮板的电磁流量计，转子每转１圈会形成４个封闭的计量腔（３对刮板的电磁流量计转子每转１圈形成６个封闭的计量腔）。转子和刮板在转动运行过程中，不与内壳体或上盖接触，而是通过齿轮组将转动的次数输送到表头，表头的计数器根据齿轮组与体积的换算再将转动的次数转换为实际测量的体积，从而达到对原油进行计量的目的。
２电磁流量计在线检定
２.１检定原理
固定式双向球型标准体积管的置换器是弹性球，它是通过１台四通阀内隔板的位置来改变体积管液体的流向，而体积管进出的液体流向保持不变。当流体稳定地流经被检电磁流量计和体积管时，正向行程由位移器经过第１只检测开关时触动电磁流量计脉冲计数器开始计数；当位移器经过第２只检测开关时，停止电磁流量计脉冲计数器计数。反向行程由位移器经过第２只检测开关时触动电磁流量计脉冲计数器开始计数；当位移器经过第１只检测开关时，停止电磁流量计脉冲计数器计数。位移器从２只检测开关之间的正反计量段所置换出来的流体体积，与电磁流量计的视值相比较，进而可以确定被检电磁流量计的视值误差［２］。电磁流量计检定示意如图１所示。
依据ＪＪＧ６６７—２０１０《液体容积式流量计检定规程》７.３.４.２款规定“除７.３.４.１款中规定的情况外，电磁流量计检定点不少于３个，均匀分布，其中含最小流量和最大流量”的要求，被检电磁流量计至少应在最大流量、常用流量、最小流量３个点进行检定，每点重复检定不少于３次，若出现粗差，可以剔除［２］。检定时，准确地取全电磁流量计和标准体积管的温度、压力数据，以及电磁流量计的脉冲数。
３影响电磁流量计在线检定的因素
通过分析检定过程及电磁流量计系数的计算公式，归纳出检定过程中导致计量误差的影响因素包括：工艺阀门密封性的影响、脉冲计数的影响、工艺参数的影响、电磁流量计自身特性的影响。
3.１工艺阀门密封性的影响为了实现电磁流量计的在线检定，在工艺流程上设计了电磁流量计检定流程，检定流程与生产流程的切换通过阀门完成。由于在线检定过程中无法给工艺流程阀门加盲板，阀门如有泄漏也无从所知。四通阀是双向球型标准体积管的重要部件，用于控制流体的方向，并且可使体积管进、出口的液体完全隔离，通过四通阀的换向实现电磁流量计的双向检定，因此工艺流程上各阀门和四通阀的密封性将直接影响到电磁流量计检定的可靠性和计量设备的安全性。而实际操作过程中，往往忽略了这些影响，特别是阀门的泄漏问题，通常都是按照阀门无泄漏直接开展检定工作，并没有进行相关的检查和试验。
３.２脉冲计数的影响
当位移器经过检测开关时触动电磁流量计脉冲计数器计数，发射的脉冲是有宽度的，计数方式为上升沿或下降沿触发，实际计数中可能会丢失不完整的脉冲，取其极限，相当于丢失１个脉冲，脉冲计数的准确性直接影响检定结果的准确性。
３.３工艺参数的影响
由式（１）的分解可知［２］，工艺参数对ＭＦ值的影响是多方面的。
３.３.１温度的影响
温度在电磁流量计检定过程中是影响较大的参数之一，温度的变化会影响一系列参数的变化，如液体黏度、结蜡量、泄漏量的变化，会直接影响电磁流量计计量误差曲线的改变［３］。当作为一种固有偏差存在时，随着运行时间的持续，误差量逐渐累加，其绝对影响量将不可忽视。
１）温度对原油的黏度有着十分重要的影响。一般来讲，油温升高，油品黏度下降；油温降低，油品黏度上升。
２）油温对含蜡油品结蜡的影响。被计量液体本身和计量设备的温度以及外部环境的温度对结蜡都有直接影响，当油温高于电磁流量计壳体或管壁温度时，产生结蜡现象；而当电磁流量计壳体或管壁温度高于油温时，几乎不结蜡。管壁温度的高低决定于环境温度及保温措施，对于电磁流量计及其配套的标准体积管和其他附属设备的温度主要决定于室内温度。因此，在电磁流量计检定过程中，决不能忽视电磁流量计间、体积管间的室内温度控制，在寒冷的冬天尤其重要。
３）温度对电磁流量计泄漏量的影响［４］。从电磁流量计的工作原理得知，计量腔的容积是当作定值来计算的，而计量腔是活动腔体，其密封由可活动的刮板与壳体的无缝接触来实现，由于加工精度的限制，以及刮板转动所必须的间隙，决定了刮板与壳体之间不同黏度的液体将有不同程度的泄漏，泄漏量的大小与原油的流量、温度、黏度、压力有密切的关系，影响最显著的是温度和黏度。当温度越高时，黏度越小，泄漏量就越大；当温度越低时，黏度越大，泄漏量就会越小。正常情况下，泄漏量对电磁流量计准确度的影响是在误差的允许范围内。
３.３.２压力的影响
在实际输油计量过程中，由于末站原油压力一般不超过４ＭＰａ，因此压力对电磁流量计的影响可忽略不计。但是，压力还影响原油的密度，当压力升高时，密度会增大。由于原油分子间距较小，内部压力很大，因而在外部压力变化时，原油密度变化很小，特别在压力变化不大时，密度变化很微小；然而在高压下，当电磁流量计进出口压力差达到０.３０４ＭＰａ以上时，其产生的误差已超过了电磁流量计计量系统误差的５％，要得到准确的计量结果，就必须考虑压力对密度的影响［５］。
３.４电磁流量计自身特性的影响
任何计量设备在长期运行过程中，其性能都将产生一定程度的偏移，特别是可动部件多的情况下。电磁流量计的刮板、凸轮、计数齿轮等，在长期运转过程中也会产生一定程度的磨损，刮板的磨损除正常运转的磨损外，当原油中杂质或固体颗粒较多时，磨损更严重，最终结果表现在电磁流量计的误差曲线将发生严重漂移。以某站电磁流量计检定为例，不同工况下的电磁流量计误差见表１所列。
４.１密封性试验
在电磁流量计进行检定前，需进行系统密封性和四通阀密封性试验。
１）系统密封性实验。即关闭电磁流量计进口阀门、标准体积管出口阀门、电磁流量计进口阀门到标准体积管出口阀门之间所有可能产生泄漏的阀门，对这段密封系统加压，直到该系统内的压力比电磁流量计进口阀前的压力高０.５ＭＰａ，观测３０ｍｉｎ，压力下降不大于０.１５ＭＰａ为密封性合格。
２）四通阀密封性试验。即操纵控制台，使通阀换向，当密封指示灯亮时，打开四通阀上的检漏针阀，如果原油流出一定量后停流，证明膨胀密封圈密封良好［６］。
４.２脉冲计数取值
脉冲插入法是以检定运行期间体积流量稳定为前提的。为保证液体的稳定性，体积管标定球运行期间，体积流量瞬时的波动应小于平均流量的±２％。采用双计时脉冲插入技术，实现对电磁流量计脉冲信号完整记录，避免由此给电磁流量计带来的误差［７］。双计时脉冲插入法示意操作原理如图２所示，插入的脉冲数按式（６）进行计算：
４.３参数录取
工艺参数对检定结果的影响是多方面的，只能力求将其对检定结果的影响程度尽量降到最低。为此，在检定工作中，必须做到下面几点：
１）选择检定合格的测温仪表和测压仪表，精度等级应符合ＧＢ／Ｔ９１０９.３—２０１４《石油和液体石油产品动态计量第３部分：体积管安装计数要求》中４.２条中相关要求［８］。
２）检定前必须预热恒温，使电磁流量计进出口温度、体积管进出温度恒定，体积管和被检电磁流量计之间的温差变化不应超过±０.５℃。
３）读数时，应由两位检定人员同时读取温度计和压力表的示值，如若差异，应重新读数，以保证读数无误。读取温度、压力值时，必须保证检定球在检测开关之间的基准管段中运行时读数，此时所读的温度、压力示值，才是体积管标准体积进行温度、压力修正时所需的值。
４）在线检定尽量选择在原油黏度、密度、温度、压力、流量与通常运行时尽量一致的情况下进行，电磁流量计检定时的液体流量应能覆盖被检电磁流量计的检定流量范围，以最大限度地减少工艺参数对电磁流量计准确度的影响［９］。
５）体积管露天安装时，不应在雨雪、高温天气下开展检定工作，避免因油品结蜡或温场变化导致的计量误差［１０］。
６）电磁流量计检定后，应及时对电磁流量计本体的器差调整器及体积管触发器加铅封，直至下一次检定前不得解封。
４.４维护保养
可动部件的磨损是不可避免的，为提高计量的准确性，只能减少磨损的程度。通过定期给电磁流量计加注润油，定期清洗过滤网等日常维护保养等，以尽可能地保证电磁流量计长期稳定的运行。
５结束语
电磁流量计检定计量准确性的影响因素并不仅限于本文所述，比如原油在管壁内的结蜡问题，电磁流量计计数部件的磨损问题等，也将在一定程度上影响原油计量的准确度。在严格的检定程序前提下，应做好维护、保养工作，比如定时巡检，检查电磁流量计的工作温度、压损、流量大小、运行声音、定期维护保养等。只有做好细致的现场运行，才可能通过计量手段，提高计量的准确性，降低企业的运行成本，为企业的可持续发展作出贡献。
