羅斯蒙特質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理及應(yīng)用

前言

羅斯蒙特質(zhì)量流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石化等領(lǐng)域，是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的流量測(cè)量?jī)x表之一，在我廠主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測(cè)量中使用可靠，精度高達(dá)1.7‰，為我廠的能源、物料的流量測(cè)量提高了準(zhǔn)確度，避免了不必要的損失，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

質(zhì)量流量測(cè)量原理

一臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量系統(tǒng)包括一臺(tái)傳感器和一臺(tái)用于信號(hào)處理的變送器。Rosemount質(zhì)量流量計(jì)依據(jù)牛頓第二定律：力=質(zhì)量×加速度（F=ma）

如圖1所示，當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)以速度V在對(duì)P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)分量的加速度及其力：

（1）法向加速度，即向心加速度α_r，其量值等于2ωr，朝向P軸；

（2）切向角速度α_t，即科里奧利加速度，其值等于2ωV，方向與α_r垂直。由于復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在質(zhì)點(diǎn)的α_t方向上作用著科里奧利力F_c=2ωVm，管道對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用著一個(gè)反向力-F_c=-2ωVm。

當(dāng)密度為ρ的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動(dòng)時(shí)，任何一段長(zhǎng)度Δx的管道將受到一個(gè)切向科里奧利力ΔF_c：

ΔF_c=2ωVρAΔx （1）

式中，A—管道的流通截面積。

由于存在關(guān)系式：mq=ρVA

所以：ΔF_c =2ωqmΔx （2）

因此，直接或間接測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管中流動(dòng)流體的科里奧利力就可以測(cè)得質(zhì)量流量。

傳感器內(nèi)是U型流量管（圖2），在沒有流體流經(jīng)流量管時(shí)，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz，流體流入流量管時(shí)被強(qiáng)制接受流量管的上下垂直運(yùn)動(dòng)。在流量管向上振動(dòng)的半個(gè)周期內(nèi)，流體反抗管子向上運(yùn)動(dòng)而對(duì)流量管施加一個(gè)向下的力；反之，流出流量管的流體對(duì)流量管施加一個(gè)向上的力以反抗管子向下運(yùn)動(dòng)而使其垂直動(dòng)量減少。這便導(dǎo)致流量管產(chǎn)生扭曲，在振動(dòng)的另外半個(gè)周期，流量管向下振動(dòng)，扭曲方向則相反，這一扭曲現(xiàn)象被稱之為科里奧利(Coriolis)現(xiàn)象，即科氏力。

根據(jù)牛頓第二定律，流量管扭曲量的大小完全與流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量大小成正比，安裝于流量管兩側(cè)的電磁信號(hào)檢測(cè)器用于檢測(cè)流量管的振動(dòng)。當(dāng)沒有流體流過流量管時(shí)，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩側(cè)電磁信號(hào)檢測(cè)器的檢測(cè)信號(hào)是同相位的（圖3）；當(dāng)有流體流經(jīng)流量管時(shí)，流量管產(chǎn)生扭曲，從而導(dǎo)致兩個(gè)檢測(cè)信號(hào)產(chǎn)生相位差（圖4），這一相位差的大小直接正比于流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量。

由于這種質(zhì)量流量計(jì)主要依靠流量管的振動(dòng)來進(jìn)行流量測(cè)量，流量管的振動(dòng)，以及流過管道的流體的沖力產(chǎn)生了科氏力，致使每個(gè)流管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)量與振動(dòng)周期內(nèi)流過流管的質(zhì)量流速成正比。由于一個(gè)流管的扭曲滯后于另一流管的扭曲，質(zhì)量管上的傳感器輸出信號(hào)可通過電路比較，來確定扭曲量，見圖5。

電路中由時(shí)間差檢測(cè)器測(cè)量左右檢測(cè)信號(hào)之間的滯后時(shí)間。這個(gè)“時(shí)間差”ΔT經(jīng)過數(shù)字量測(cè)量、處理、濾波以減少噪聲，提高測(cè)量分辨率。時(shí)間差乘上流量標(biāo)定系數(shù)來表示質(zhì)量流量。由于溫度影響流管鋼性，科氏力產(chǎn)生的扭曲量也將受溫度影響。被測(cè)量的流量不斷由變送器調(diào)整，后者隨時(shí)檢測(cè)粘在流管外表上的鉑電阻溫度計(jì)輸出。變送器用一個(gè)三相的電阻溫度計(jì)電橋放大電路來測(cè)量傳感器溫度，放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)化成頻率，并由計(jì)數(shù)器數(shù)字化后讀入微處理器。

密度測(cè)量原理

流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結(jié)構(gòu)可看做一重物懸掛在彈簧上構(gòu)成的重物/彈簧系統(tǒng)，一旦被施以一運(yùn)動(dòng)，這一重物/彈簧系統(tǒng)將在它的諧振頻率上振動(dòng)，這一諧振頻率與重物的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量流量計(jì)的流量管是通過驅(qū)動(dòng)線圈和反饋電路在它的諧振頻率上振動(dòng)，振動(dòng)管的諧振頻率與振動(dòng)管的結(jié)構(gòu)、材料及質(zhì)量有關(guān)。振動(dòng)管的質(zhì)量由兩部分組成：振動(dòng)管本身的質(zhì)量和振動(dòng)管中介質(zhì)的質(zhì)量。每一臺(tái)傳感器生產(chǎn)好后振動(dòng)管本身的質(zhì)量就確定了，振動(dòng)管中介質(zhì)的質(zhì)量是介質(zhì)密度與振動(dòng)管體積的乘積，而振動(dòng)管的體積對(duì)每種口徑的傳感器來說是固定的，因此振動(dòng)頻率直接與密度有相應(yīng)的關(guān)系，那么，對(duì)于確定結(jié)構(gòu)和材料的傳感器，介質(zhì)的密度可以通過測(cè)量流量管的諧振頻率獲得。

　　利用流量測(cè)量的一對(duì)信號(hào)檢測(cè)器可獲得代表諧振頻率的信號(hào)，一個(gè)溫度傳感器的信號(hào)用于補(bǔ)償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化，振動(dòng)周期的測(cè)量是通過測(cè)量流量管的振動(dòng)周期和溫度獲得，介質(zhì)密度的測(cè)量利用了密度與流量管振動(dòng)周期的線性關(guān)系及標(biāo)準(zhǔn)的校定常數(shù)，見圖6。

科氏質(zhì)量流量傳感器振動(dòng)管測(cè)量密度時(shí)，管道鋼性、幾何結(jié)構(gòu)和流過流體質(zhì)量共同決定了管道裝置的固有頻率，因而由測(cè)量的管道頻率可推出流體密度。變送器用一個(gè)高頻時(shí)鐘來測(cè)量振動(dòng)周期的時(shí)間，測(cè)量值經(jīng)數(shù)字濾波，對(duì)于由操作溫度導(dǎo)致管道鋼性變化，進(jìn)而引起固有頻率的變化進(jìn)行補(bǔ)償后，用傳感器密度標(biāo)定系數(shù)來計(jì)算過程流體密度，見圖7。

四、信號(hào)特性

羅斯蒙特公司的變送器為模塊化并帶有微處理器功能，配合ASICS數(shù)字技術(shù)，可選擇數(shù)字通信協(xié)議。它與傳感器連接使用可獲得高精確度的質(zhì)量流量、密度、溫度和體積流量信號(hào)，并將獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量、頻率等輸出信號(hào)，還可使用275型HART協(xié)議通信手操器或AMS、Prolink軟件對(duì)其組態(tài)、檢查及通信。

五、 SP數(shù)字信號(hào)處理器特性

DSP數(shù)字信號(hào)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)處理信號(hào)的微處理器，在科里奧利流量計(jì)里，我們使測(cè)量管在一個(gè)已知的頻率下振動(dòng)，因此任何在此振動(dòng)頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準(zhǔn)確地確定質(zhì)量流量。例如，一個(gè)50Hz或60Hz的信號(hào)很可能來源于與附近動(dòng)力線的耦合。如何在實(shí)際上“過濾”這些多余的信號(hào)則需要一些更多的在那時(shí)刻所得到的背景信息，圖8表明了噪聲如何出現(xiàn)在原轉(zhuǎn)換器信號(hào)上，以及被過濾后的最終信號(hào)。

與使用時(shí)間常量去阻抑和穩(wěn)定信號(hào)相比，使用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的主要好處之一，是能夠以一個(gè)被提高了的采樣率去過濾實(shí)時(shí)信號(hào)，減少了流量計(jì)對(duì)流量的階躍變化的響應(yīng)時(shí)間。使用多參數(shù)數(shù)字（MVD）變送器的響應(yīng)時(shí)間比使用模擬信號(hào)處理的傳統(tǒng)變送器快2~4倍，更快的響應(yīng)時(shí)間會(huì)提高短批量控制的效率和精確度。

DSP技術(shù)另一個(gè)頗有價(jià)值且更富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用實(shí)例是氣體測(cè)量，因?yàn)楦咚贇怏w通過流量計(jì)會(huì)引起較嚴(yán)重的噪聲。通過高準(zhǔn)Elite系列傳感器，與流量信號(hào)混雜的噪聲被減至最小?，F(xiàn)在DSP技術(shù)能更好地濾波，并進(jìn)一步減小了質(zhì)量流量計(jì)對(duì)噪聲的敏感度。采用MVD變送器測(cè)量氣體的結(jié)果在重復(fù)性和精確度上都有了顯著提高。

DSP技術(shù)提供了一個(gè)“通往處理的窗戶”，當(dāng)瀏覽這個(gè)窗戶時(shí)，首先集中在測(cè)量管振動(dòng)頻率附近的信號(hào)上。實(shí)際上，有意地拋棄了其余的信息，很可能正是隱藏在這些“無用的”數(shù)據(jù)里的信息會(huì)鋪平通往新的診斷技術(shù)的道路。例如，頻譜分析可能會(huì)引導(dǎo)我們?nèi)〉迷趭A雜空氣或團(tuán)狀流動(dòng)流體測(cè)量上的進(jìn)展，流體在測(cè)量管內(nèi)壁的附著也是另一個(gè)有希望被DSP技術(shù)檢測(cè)到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預(yù)測(cè)傳感器的故障。

六、測(cè)量環(huán)境的影響

1、流體壓力的影響　　

首先考慮流體壓力不應(yīng)超過規(guī)定工作壓力，其次考慮靜壓變化影響的程度。壓力變化影響測(cè)量管繃緊程度和布登效應(yīng)的程度，以及破壞測(cè)量管不對(duì)稱的原零點(diǎn)偏置。雖然儀表常數(shù)變動(dòng)和零漂很小，但是使用壓力時(shí)和校準(zhǔn)時(shí)相差甚大時(shí)，對(duì)于高精確度儀表影響值還是不能忽視的。小口徑儀表壁厚管徑比大，影響??；大口徑儀表壁厚管徑比小。

2、流體密度影響　　

流體密度變化改變流量測(cè)量系統(tǒng)的質(zhì)量，從而使流量傳感器的平衡發(fā)生變化，導(dǎo)致零點(diǎn)偏移。如果測(cè)量某一特定液體，只要在實(shí)際使用的液體密度條件下調(diào)零，使用過程中的密度變化不大，一般不存在問題。但在一根管道上測(cè)量密度差別較大的幾種液體時(shí)，會(huì)帶來零點(diǎn)變動(dòng)的附加誤差。

3、流體粘度影響

羅斯蒙特公司的科氏力質(zhì)量流量計(jì)CMF可測(cè)量液體粘度的范圍很寬，并呈現(xiàn)良好的測(cè)量性能。雖有報(bào)告論及粘度影響測(cè)量精確度，但很少有試驗(yàn)數(shù)據(jù)。液體粘度會(huì)改變系統(tǒng)的阻尼特性，從而影響零偏置；在低流量時(shí)對(duì)流量測(cè)量值有一定程度的影響。

4、雙相流體中異相含量影響

制造廠常稱含有百分幾體積比游離氣體影響測(cè)量不大。當(dāng)測(cè)量氣泡小而分布均勻的液體，如冰淇淋和相似乳化液，影響可能是相對(duì)的。含氣泡1%時(shí)有些型號(hào)無明顯影響，有些型號(hào)誤差為1%～2%，其中一臺(tái)雙管直管式則高達(dá)10%～15%；含氣泡10%時(shí)，誤差普遍增加到15%～20%，個(gè)別型號(hào)高達(dá)80%。此外流體的壓力、流速、粘度和氣液混合方式的差異，所帶來的影響也不一樣。測(cè)量含有少量固體的液體時(shí)，各類型CMF都有較高的信賴度。當(dāng)固體含量較多或固體具有強(qiáng)磨蝕性或軟固體（如食品湯汁中的蔬菜塊），應(yīng)選用單管直管型或串聯(lián)雙管型。因?yàn)槿缬貌⒙?lián)雙管型，分流器上有可能粘附異物或磨損導(dǎo)致改變兩路分流量，產(chǎn)生誤差；更為嚴(yán)重者如一路堵塞可能不被立即發(fā)現(xiàn)。

5、 環(huán)境振動(dòng)影響　　

CMF可以在振動(dòng)環(huán)境下工作，但必須與振動(dòng)隔離，例如與振動(dòng)管間用柔性管連接和采用隔離振動(dòng)的支撐架。但更應(yīng)預(yù)防振動(dòng)頻率與CMF的工作頻率或諧波頻率相同。同一型號(hào)多臺(tái)儀表串接安裝或較接近地平行安裝，尤其是裝在同一支撐臺(tái)架上，各CMF間工作頻率振動(dòng)會(huì)相互影響，引起異常振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使儀表無法工作。在訂購(gòu)時(shí)可專門向制造廠提出，錯(cuò)開兩串聯(lián)CMF的工作頻率。

6、 管道應(yīng)力影響　　

若連接流量傳感器管道中心未對(duì)準(zhǔn)（或不平行）或管道溫度改變，管道應(yīng)力會(huì)形成壓力、拉力、或剪切力作用到CMF測(cè)量管間的對(duì)準(zhǔn)，引起檢測(cè)探頭的不對(duì)稱性，導(dǎo)致零點(diǎn)變動(dòng)。CMF安裝好后必須調(diào)零以消除或減小這一影響。若管道嚴(yán)重未對(duì)準(zhǔn)，有可能無法調(diào)至零位。管道溫度偏離安裝時(shí)溫度，管道產(chǎn)生的熱膨脹（或收縮）力亦將作用到流量傳感器。有些CMF設(shè)計(jì)在測(cè)量管進(jìn)出口各有一個(gè)很重的分流器，可減小管道應(yīng)力對(duì)測(cè)量管的影響。直形測(cè)量管CMF特別易受熱膨脹力的影響，必要時(shí)可在管道裝熱膨脹隔離管件。

七、實(shí)際應(yīng)用

1、異相流應(yīng)用

CMF在我廠主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測(cè)量中使用可靠，但如果使用不當(dāng)可導(dǎo)致計(jì)量超差甚至中斷計(jì)量。

在原料輕烴的測(cè)量中，由于輕烴介質(zhì)中組分復(fù)雜，即含有固體顆粒，又含有氣泡，屬典型的異相流體，使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)故障，變送器顯示的故障信息是SensorError、 Dens Overrng、Slugflow即傳感器出錯(cuò)、密度超限、團(tuán)狀流，流量計(jì)中斷計(jì)量，為了解決此問題，我們?cè)诹髁坑?jì)入口安裝了過濾器，用來過濾固體顆粒，又將流量計(jì)出口閥門開度限位，以此提高入口壓力，用來減少輕烴介質(zhì)中的氣泡含量，采取以上措施后流量計(jì)投用正常。

2、故障信息及處理

變送器出現(xiàn)DriveOverrng或InputOverrange即變送器中產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出，流速超出傳感器量程，檢查在變送器和傳感器中紅色電纜到棕色電纜之間是否開路或短路即傳感器驅(qū)動(dòng)線圈開路或短路；檢查變送器和傳感器中綠色電纜到白色電纜之間開路或短路，即傳感器左檢測(cè)線圈開路或短路。

變送器出現(xiàn)SensorError即電纜有問題，檢查變送器和傳感器中藍(lán)色電纜到灰色電纜之間開路或短路，即傳感器檢測(cè)線圈開路或短路。

變送器出現(xiàn)PowerReset表示電源故障、燈光暗淡或電力循環(huán)已中斷了變送器工作，檢查電源系統(tǒng)是否正常。

變送器出現(xiàn)ZeroTooHigh或ZeroTooLow表示在傳感器調(diào)零期間流體沒有完全終止流動(dòng)，導(dǎo)致變送器計(jì)算出來的零點(diǎn)流量偏移太大而不能進(jìn)行精確的流量測(cè)量，在調(diào)零時(shí)必須使流體完全終止流動(dòng)。

八、結(jié)論

質(zhì)量流量計(jì)是一個(gè)較為準(zhǔn)確、快速、可靠、高效、穩(wěn)定、靈活的流量測(cè)量?jī)x表，在石油加工、化工等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用，相信將在推動(dòng)流量測(cè)量上顯示出巨大的潛力。

參考文獻(xiàn)

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The Measuring Principle of Coriolis Mass Flowmeter of ROSEMOUNT and Application

Abstract:The essay introduces the principle of the ROSEMOUNT mass flowmeter’s sensor and transmeter, detailedly introduces the measure principle of the mass and density. The signal character of the transmeter, the character of the DSP and application

Keywords: Coriolis; mass flowmeter ; sensor; HART agreement ; DSP

作者簡(jiǎn)介

高志強(qiáng)，大慶石化公司化工一廠工程師。

通訊地址：大慶石化公司化工一廠儀表車間(163714)

電話0459-6761837，0459-6256969

E-mail:dqgzq@163.com

王洵，大慶中石油國(guó)際事業(yè)公司工作，工程師

袁利劍、嚴(yán)偉、南英淑：大慶石化公司工程師。

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