羅斯蒙特質(zhì)量流量計測量原理及應用

前言

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

質(zhì)量流量測量原理

一臺質(zhì)量流量計的計量系統包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。Rosemount質(zhì)量流量計依據牛頓第二定律：力=質(zhì)量×加速度（F=ma）

如圖1所示，當質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)以速度V在對P軸作角速度ω旋轉的管道內移動(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。由于復合運動(dòng)，在質(zhì)點(diǎn)的α_t方向上作用著(zhù)科里奧利力F_c=2ωVm，管道對質(zhì)點(diǎn)作用著(zhù)一個(gè)反向力-F_c=-2ωVm。

當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恒定速度V流動(dòng)時(shí)，任何一段長(cháng)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，直接或間接測量在旋轉管中流動(dòng)流體的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量。

傳感器內是U型流量管（圖2），在沒(méi)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動(dòng)線(xiàn)圈驅動(dòng)，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz，流體流入流量管時(shí)被強制接受流量管的上下垂直運動(dòng)。在流量管向上振動(dòng)的半個(gè)周期內，流體反抗管子向上運動(dòng)而對流量管施加一個(gè)向下的力；反之，流出流量管的流體對流量管施加一個(gè)向上的力以反抗管子向下運動(dòng)而使其垂直動(dòng)量減少。這便導致流量管產(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，這一扭曲現象被稱(chēng)之為科里奧利(Coriolis)現象，即科氏力。

根據牛頓第二定律，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，安裝于流量管兩側的電磁信號檢測器用于檢測流量管的振動(dòng)。當沒(méi)有流體流過(guò)流量管時(shí)，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩側電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的（圖3）；當有流體流經(jīng)流量管時(shí)，流量管產(chǎn)生扭曲，從而導致兩個(gè)檢測信號產(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)量流量計主要依靠流量管的振動(dòng)來(lái)進(jìn)行流量測量，流量管的振動(dòng)，以及流過(guò)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，扭轉量與振動(dòng)周期內流過(guò)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可通過(guò)電路比較，來(lái)確定扭曲量，見(jiàn)圖5。

電路中由時(shí)間差檢測器測量左右檢測信號之間的滯后時(shí)間。這個(gè)“時(shí)間差”ΔT經(jīng)過(guò)數字量測量、處理、濾波以減少噪聲，提高測量分辨率。時(shí)間差乘上流量標定系數來(lái)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。被測量的流量不斷由變送器調整，后者隨時(shí)檢測粘在流管外表上的鉑電阻溫度計輸出。變送器用一個(gè)三相的電阻溫度計電橋放大電路來(lái)測量傳感器溫度，放大器的輸出電壓轉化成頻率，并由計數器數字化后讀入微處理器。

密度測量原理

流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結構可看做一重物懸掛在彈簧上構成的重物/彈簧系統，一旦被施以一運動(dòng)，這一重物/彈簧系統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)量流量計的流量管是通過(guò)驅動(dòng)線(xiàn)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)管的結構、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)管的體積對每種口徑的傳感器來(lái)說(shuō)是固定的，因此振動(dòng)頻率直接與密度有相應的關(guān)系，那么，對于確定結構和材料的傳感器，介質(zhì)的密度可以通過(guò)測量流量管的諧振頻率獲得。

　　利用流量測量的一對信號檢測器可獲得代表諧振頻率的信號，一個(gè)溫度傳感器的信號用于補償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化，振動(dòng)周期的測量是通過(guò)測量流量管的振動(dòng)周期和溫度獲得，介質(zhì)密度的測量利用了密度與流量管振動(dòng)周期的線(xiàn)性關(guān)系及標準的校定常數，見(jiàn)圖6。

科氏質(zhì)量流量傳感器振動(dòng)管測量密度時(shí)，管道鋼性、幾何結構和流過(guò)流體質(zhì)量共同決定了管道裝置的固有頻率，因而由測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(lái)測量振動(dòng)周期的時(shí)間，測量值經(jīng)數字濾波，對于由操作溫度導致管道鋼性變化，進(jìn)而引起固有頻率的變化進(jìn)行補償后，用傳感器密度標定系數來(lái)計算過(guò)程流體密度，見(jiàn)圖7。

四、信號特性

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數字技術(shù)，可選擇數字通信協(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，并將獲得的信號轉換為模擬量、頻率等輸出信號，還可使用275型HART協(xié)議通信手操器或AMS、Prolink軟件對其組態(tài)、檢查及通信。

五、 SP數字信號處理器特性

DSP數字信號處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)處理信號的微處理器，在科里奧利流量計里，我們使測量管在一個(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”，需要除掉它們以準確地確定質(zhì)量流量。例如，一個(gè)50Hz或60Hz的信號很可能來(lái)源于與附近動(dòng)力線(xiàn)的耦合。如何在實(shí)際上“過(guò)濾”這些多余的信號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在原轉換器信號上，以及被過(guò)濾后的最終信號。

與使用時(shí)間常量去阻抑和穩定信號相比，使用數字信號處理（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(guò)濾實(shí)時(shí)信號，減少了流量計對流量的階躍變化的響應時(shí)間。使用多參數數字（MVD）變送器的響應時(shí)間比使用模擬信號處理的傳統變送器快2~4倍，更快的響應時(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)值且更富有挑戰性的應用實(shí)例是氣體測量，因為高速氣體通過(guò)流量計會(huì )引起較嚴重的噪聲。通過(guò)高準Elite系列傳感器，與流量信號混雜的噪聲被減至最小?，F在DSP技術(shù)能更好地濾波，并進(jìn)一步減小了質(zhì)量流量計對噪聲的敏感度。采用MVD變送器測量氣體的結果在重復性和精確度上都有了顯著(zhù)提高。

DSP技術(shù)提供了一個(gè)“通往處理的窗戶(hù)”，當瀏覽這個(gè)窗戶(hù)時(shí)，首先集中在測量管振動(dòng)頻率附近的信號上。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(wú)用的”數據里的信息會(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 )引導我們取得在夾雜空氣或團狀流動(dòng)流體測量上的進(jìn)展，流體在測量管內壁的附著(zhù)也是另一個(gè)有希望被DSP技術(shù)檢測到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預測傳感器的故障。

六、測量環(huán)境的影響

1、流體壓力的影響　　

首先考慮流體壓力不應超過(guò)規定工作壓力，其次考慮靜壓變化影響的程度。壓力變化影響測量管繃緊程度和布登效應的程度，以及破壞測量管不對稱(chēng)的原零點(diǎn)偏置。雖然儀表常數變動(dòng)和零漂很小，但是使用壓力時(shí)和校準時(shí)相差甚大時(shí)，對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量系統的質(zhì)量，從而使流量傳感器的平衡發(fā)生變化，導致零點(diǎn)偏移。如果測量某一特定液體，只要在實(shí)際使用的液體密度條件下調零，使用過(guò)程中的密度變化不大，一般不存在問(wèn)題。但在一根管道上測量密度差別較大的幾種液體時(shí)，會(huì )帶來(lái)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CMF可測量液體粘度的范圍很寬，并呈現良好的測量性能。雖有報告論及粘度影響測量精確度，但很少有試驗數據。液體粘度會(huì )改變系統的阻尼特性，從而影響零偏置；在低流量時(shí)對流量測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(chǎng)常稱(chēng)含有百分幾體積比游離氣體影響測量不大。當測量氣泡小而分布均勻的液體，如冰淇淋和相似乳化液，影響可能是相對的。含氣泡1%時(shí)有些型號無(wú)明顯影響，有些型號誤差為1%～2%，其中一臺雙管直管式則高達10%～15%；含氣泡10%時(shí)，誤差普遍增加到15%～20%，個(gè)別型號高達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(lái)的影響也不一樣。測量含有少量固體的液體時(shí)，各類(lèi)型CMF都有較高的信賴(lài)度。當固體含量較多或固體具有強磨蝕性或軟固體（如食品湯汁中的蔬菜塊），應選用單管直管型或串聯(lián)雙管型。因為如用并聯(lián)雙管型，分流器上有可能粘附異物或磨損導致改變兩路分流量，產(chǎn)生誤差；更為嚴重者如一路堵塞可能不被立即發(fā)現。

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。但更應預防振動(dòng)頻率與CMF的工作頻率或諧波頻率相同。同一型號多臺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)，嚴重時(shí)會(huì )使儀表無(wú)法工作。在訂購時(shí)可專(zhuān)門(mén)向制造廠(chǎng)提出，錯開(kāi)兩串聯(lián)CMF的工作頻率。

6、 管道應力影響　　

若連接流量傳感器管道中心未對準（或不平行）或管道溫度改變，管道應力會(huì )形成壓力、拉力、或剪切力作用到CMF測量管間的對準，引起檢測探頭的不對稱(chēng)性，導致零點(diǎn)變動(dòng)。CMF安裝好后必須調零以消除或減小這一影響。若管道嚴重未對準，有可能無(wú)法調至零位。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設計在測量管進(jìn)出口各有一個(gè)很重的分流器，可減小管道應力對測量管的影響。直形測量管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)際應用

1、異相流應用

CMF在我廠(chǎng)主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠，但如果使用不當可導致計量超差甚至中斷計量。

在原料輕烴的測量中，由于輕烴介質(zhì)中組分復雜，即含有固體顆粒，又含有氣泡，屬典型的異相流體，使用過(guò)程中經(jīng)常出現故障，變送器顯示的故障信息是SensorError、 Dens Overrng、Slugflow即傳感器出錯、密度超限、團狀流，流量計中斷計量，為了解決此問(wèn)題，我們在流量計入口安裝了過(guò)濾器，用來(lái)過(guò)濾固體顆粒，又將流量計出口閥門(mén)開(kāi)度限位，以此提高入口壓力，用來(lái)減少輕烴介質(zhì)中的氣泡含量，采取以上措施后流量計投用正常。

2、故障信息及處理

變送器出現DriveOverrng或InputOverrange即變送器中產(chǎn)生錯誤輸出，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(kāi)路或短路即傳感器驅動(dòng)線(xiàn)圈開(kāi)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(kāi)路或短路，即傳感器左檢測線(xiàn)圈開(kāi)路或短路。

變送器出現SensorError即電纜有問(wèn)題，檢查變送器和傳感器中藍色電纜到灰色電纜之間開(kāi)路或短路，即傳感器檢測線(xiàn)圈開(kāi)路或短路。

變送器出現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，檢查電源系統是否正常。

變送器出現ZeroTooHigh或ZeroTooLow表示在傳感器調零期間流體沒(méi)有完全終止流動(dòng)，導致變送器計算出來(lái)的零點(diǎn)流量偏移太大而不能進(jìn)行精確的流量測量，在調零時(shí)必須使流體完全終止流動(dòng)。

八、結論

質(zhì)量流量計是一個(gè)較為準確、快速、可靠、高效、穩定、靈活的流量測量?jì)x表，在石油加工、化工等領(lǐng)域將得到更加廣泛的應用，相信將在推動(dòng)流量測量上顯示出巨大的潛力。

參考文獻

[1]．蔡武昌.科里奧利力質(zhì)量流量計的應用[J]，世界儀表與自動(dòng)化，1999 3 （1）：32～36

[2]．Pawlas G ,Patten T.Gas Measurement Using Coriolis Mass Flowmeter[A]，ISA/95 Advancesin Instrumentation and Control，1995:781～790

[3].肖素琴，韓厚義.科里奧利質(zhì)量流量計的應用[M]，北京：中國石化出版社，1999

[4].Nicholson S. Coriolis Mass Flow Measurement [C]．Proccedings of the 7th International Conference on Flow Measurement，Galsgow：1994, 7, 13～17

[5].Gignolo,G.A.A. Experimental Intercomparison of Coriolis Mass FlowmeTers[R]. Report of Institue of Metrology Italy， 1990

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，大慶石化公司化工一廠(chǎng)工程師。

通訊地址：大慶石化公司化工一廠(chǎng)儀表車(chē)間(163714)

電話(huà)0459-6761837，0459-6256969

E-mail:dqgzq@163.com

王洵，大慶中石油國際事業(yè)公司工作，工程師

袁利劍、嚴偉、南英淑：大慶石化公司工程師。

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