罗斯蒙特质量流量计原理.docx

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1、罗斯蒙特质量流量计原理罗斯蒙特质量流量计广泛应用于石化等领域， 是当今世界上最先进的流量 测量仪表之一，在我厂主要产品如乙烯、丙烯和主要原料轻轻等的测量中 使用可靠，精度高达1.7%,为我厂的能源、物料的流量测量提高了准确 度，避免了不必要的损失，创造了可观的经济效益。质量流量测量原理 一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。Rosemount质量流量计依据牛顿第二定律：力 =质量x加速度(F=ma如图1所示，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度3旋转的管 道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力：(1) 法向加速度，即向心加速度 ar,其量值等于23 r,朝向P

2、轴；(2) 切向角速度a t,即科里奥利加速度，其值等于 23 V,方向与a r 垂直。由于复合运动，在质点的 a t方向上作用着科里奥利力Fc=2s Vm 管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2 3 Vm当密度为p的流体在旋转管道中以恒定速度 V流动时，任何一段长度 x 的管道将受到一个切向科里奥利力 Fc： Fc=2w Vp AAx (1)式中，A一管道的流通截面积。由于存在关系式：mq=p VA所以： Fc =2 3 qm x (2)因此，直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量传感器内是U型流量管(图2),在没有流体流经流量管时，流量管由安 装在流量管端部的电磁驱

3、动线圈驱动，其振幅小于1mm频率约为80Hz,流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而 使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期， 流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利 (Coriolis) 现象，即科氏力。根据牛顿第二定律,流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大 小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。 当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的

4、检 测信号是同相位的(图3);当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲， 从而导致两个检测信号产生相位差,这一相位差的大小直接正比于流经流 量管的质量流量。由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，流量管的振动，以及流过管道的流体的冲力产生了科氏力，致使每个流管产生扭转， 扭转量与振动周期内流过流管的质量流速成正比。 由于一个流管的扭曲滞 后于另一流管的扭曲，质量管上的传感器输出信号可通过电路比较，来确定扭曲量。电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间的滞后时间。这个“时间 差” T经过数字量测量、处理、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时 间差乘上流量标定系数来表示质量流量。由于温度影

5、响流管钢性，科氏力产生的扭曲量也将受温度影响。被测量的流量不断由变送器调整， 后者随 时检测粘在流管外表上的钳电阻温度计输出。 变送器用一个三相的电阻温 度计电桥放大电路来测量传感器温度， 放大器的输出电压转化成频率，并 由计数器数字化后读入微处理器。密度测量原理流量管的一端被固定，而另一端是自由的。这一结构可看做一重物悬:挂在 弹簧上构成的重物/弹簧系统，一旦被施以一运动，这一重物/弹簧系统将 在它的谐振频率上振动，这一谐振频率与重物的质量有关。 质量流量计的 流量管是通过驱动线圈和反馈电路在它的谐振频率上振动，振动管的谐振频率与振动管的结构、材料及质量有关。振动管的质量由两部分组成：振 动

6、管本身的质量和振动管中介质的质量。每一台传感器生产好后振动管本 身的质量就确定了，振动管中介质的质量是介质密度与振动管体积的乘 积，而振动管的体积对每种口径的传感器来说是固定的，因此振动频率直接与密度有相应的关系，那么，对于确定结构和材料的传感器，介质的密 度可以通过测量流量管的谐振频率获得。利用流量测量的一对信号检测器可获得代表谐振频率的信号，一个温度传 感器的信号用于补偿温度变化而引起的流量管钢性的变化， 振动周期的测 量是通过测量流量管的振动周期和温度获得，介质密度的测量利用了密度 与流量管振动周期的线性关系及标准的校定常数。科氏质量流量传感器振动管测量密度时，管道钢性、几何结构和流过流

7、体 质量共同决定了管道装置的固有频率，因而由测量的管道频率可推出流体 密度。变送器用一个高频时钟来测量振动周期的时间，测量值经数字滤波， 对于由操作温度导致管道钢性变化，进而引起固有频率的变化进行补偿 后，用传感器密度标定系数来计算过程流体密度。四、信号特性罗斯蒙特公司的变送器为模块化并带有微处理器功能，配合ASICS数字技 术，可选择数字通信协议。它与传感器连接使用可获得高精确度的质量流 量、密度、温度和体积流量信号，并将获得的信号转换为模拟量、频率等 输出信号，还可使用275型HAR曲议通信手操器或AMS Prolink软件对 其组态、检查及通信。五、SP数字信号处理器特性DS嗷字信号处理

8、器是一个实时处理信号的微处理器，在科里奥利流量计 里，我们使测量管在一个已知的频率下振动， 因此任何在此振动频率范围 之外的频率都是“噪声”，需要除掉它们以准确地确定质量流量。例如， 一个50Hz或60Hz的信号很可能来源于与附近动力线的耦合。如何在实际 上“过滤”这些多余的信号则需要一些更多的在那时刻所得到的背景信息，图8表明了噪声如何出现在原转换器信号上，以及被过滤后的最终信号。与使用时间常量去阻抑和稳定信号相比，使用数字信号处理（ DSP技术 的主要好处之一，是能够以一个被提高了的采样率去过滤实时信号， 减少 了流量计对流量的阶跃变化的响应时间。使用多参数数字（ MVD变送器 的响应时间

9、比使用模拟信号处理的传统变送器快 24倍，更快的响应时间 会提高短批量控制的效率和精确度。DSPK术另一个颇有价值且更富有挑战性的应用实例是气体测量，因为高速气体通过流量计会引起较严重的噪声。 通过高准Elite系列传感器，与 流量信号混杂的噪声被减至最校现在 DSPK术能更好地滤波，并进一步减 小了质量流量计对噪声的敏感度。采用MV攻送器测量气体的结果在重复 性和精确度上都有了显著提高。DSPft术提供了一个“通往处理的窗户”，当浏览这个窗户时，首先集中 在测量管振动频率附近的信号上。 实际上，有意地抛弃了其余的信息，很 可能正是隐藏在这些“无用的”数据里的信息会铺平通往新的诊断技术 的道路

10、。例如，频谱分析可能会引导我们取得在夹杂空气或团状流动流体 测量上的进展，流体在测量管内壁的附着也是另一个有希望被 DSP技术检 测到的故障，频谱的变化也很可能被用于预测传感器的故障。六、测量环境的影响1、流体压力的影响首先考虑流体压力不应超过规定工作压力，其次考虑静压变化影响的程 度。压力变化影响测量管绷紧程度和布登效应的程度，以及破坏测量管不 对称的原零点偏置。虽然仪表常数变动和零漂很小，但是使用压力时和校 准时相差其大时，对于高精确度仪表影响值还是不能忽视的。 小口径仪表 壁厚管径比大，影响小；大口径仪表壁厚管径比校2、流体密度影响流体密度变化改变流量测量系统的质量，从而使流量传感器的平

11、衡发生变 化，导致零点偏移。如果测量某一特定液体，只要在实际使用的液体密度 条件下调零，使用过程中的密度变化不大，一般不存在问题。但在一根管 道上测量密度差别较大的几种液体时，会带来零点变动的附加误差。3、流体粘度影响罗斯蒙特公司的科氏力质量流量计 CMFW测量液体粘度的范围很宽，并呈 现良好的测量性能。虽有报告论及粘度影响测量精确度，但很少有试验数 据。液体粘度会改变系统的阻尼特性， 从而影响零偏置；在低流量时对流 量测量值有一定程度的影响。4、双相流体中异相含量影响制造厂常称含有白分几体积比游离气体影响测量不大。 当测量气泡小而分 布均匀的液体，如冰淇淋和相似乳化液，影响可能是相对的。含气

12、泡 1% 时有些型号无明显影响，有些型号误差为 1吩2%其中一台双管直管式 则高达10吮15%含气泡10%寸，误差普遍增加到15吩20%个别型号 高达80%此外流体的压力、流速、粘度和气液混合方式的差异，所带来 的影响也不一样。测量含有少量固体的液体时，各类型CMFFfK有较高的信赖度。当固体含量较多或固体具有强磨蚀性或软固体 （如食品汤汁中的蔬 菜块），应选用单管直管型或申联双管型。因为如用并联双管型，分流器 上有可能粘附异物或磨损导致改变两路分流量，产生误差；更为严重者如一路堵塞可能不被立即发现。5、环境振动影响CMFW以在振动环境下工作，但必须与振动隔离，例如与振动管问用柔性 管连接和采

13、用隔离振动的支撑架。但更应预防振动频率与CMF勺工作频率 或谐波频率相同。 同一型号多台仪表申接安装或较接近地平行安装，尤 其是装在同一支撑台架上，各CMF可工作频率振动会相互影响，引起异常 振动，严重时会使仪表无法工作。在订购时可专门向制造厂提出，错开两 申联CMF勺工作频率。6、管道应力影响若连接流量传感器管道中心未对准 （或不平行）或管道温度改变，管道应 力会形成压力、拉力、或剪切力作用到CMFW量管问的对准，引起检测探 头的不对称性，导致零点变动。CM或装好后必须调零以消除或减小这一 影响。若管道严重未对准，有可能无法调至零位。管道温度偏离安装时温 度，管道产生的热膨胀（或收缩）力亦将

14、作用到流量传感器。有些 CMF 设计在测量管进出口各有一个很重的分流器， 可减小管道应力对测量管的 影响。直形测量管CMF#别易受热膨胀力的影响，必要时可在管道装热膨 胀隔离管件。七、实际应用1、异相流应用CMFft我厂主要产品如乙烯、丙烯和主要原料轻轻等的测量中使用可靠， 但如果使用不当可导致计量超差甚至中断计量。在原料轻轻的测量中，由于轻轻介质中组分复杂，即含有固体颗粒，乂含 有气泡，届典型的异相流体，使用过程中经常出现故障，变送器显示的故 障信息是Sensor Error、Dens Overrng、Slug flow 即传感器出错、密 度超限、团状流，流量计中断计量，为了解决此问题，我们

15、在流量计入口 安装了过滤器，用来过滤固体颗粒，乂将流量计出口阀门开度限位， 以此 提高入口压力，用来减少轻轻介质中的气泡含量，采取以上措施后流量计 投用正常。2、故障信息及处理变送器出现Drive Overrng或Input Overrange即变送器中产生错误输出， 流速超出传感器量程，检查在变送器和传感器中红色电缆到棕色电缆之间 是否开路或短路即传感器驱动线圈开路或短路；检查变送器和传感器中绿 色电缆到白色电缆之间开路或短路，即传感器左检测线圈开路或短路。变送器出现Sensor Error即电缆有问题，检查变送器和传感器中蓝色电 缆到灰色电缆之间开路或短路，即传感器检测线圈开路或短路。变送

16、器出现Power Reset表示电源故障、灯光暗淡或电力循环已中断了变 送器工作，检查电源系统是否正常。变送器出现Zero Too High或Zero Too Low表示在传感器调零期间流体没有完全终止流动，导致变送器计算出来的零点流量偏移太大而不能进行精确的流量测量，在调零时必须使流体完全终止流动。八、结论质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量 仪表，在石油加工、化工等领域将得到更加广泛的应用，相信将在推动流 量测量上显示出巨大的潜力。谈到科里奥利质量流量计，我多说两句1质量流量计工作原理质量流量的测量方法可分为直接法和间接法两大类。直接法是直接检测与质量流量有函数

17、关系的参变量以求得质量流量。其中包括动量法，振动加速法（即CMF，科里奥利质量流量计），差压法，热学法。间接法又称推导法，它是用体积流量 QV乘以流体密度 p,求得质量流量 QM ,即QM =p QV。 推导式质量流量测量有两大类： 体积流量计和密度流量计（测量气体时用温度计，压力计替代密度计）组合； 双流量计组合。科里奥利质量流量计， 它是利用流体在振动管中流动时，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。2流量计的安装环境对其精度的影响科里奥利质量流量计对安装环境有一定的要求，首先要求现场无振动， 否则需要采取一些方法来减少振动，如在流量计进出口处用软管相连以减少管

18、道振动对其精度的影响。在安装时应尽量远离振源，否则应加避振装置以尽量减少振源对其测量精度的影响。安装中螺丝与管道的扭力也是造成流量计计量不准的问题之一，如安装过程中不采用软管与管道相连，而与管道法兰螺栓连接时，应注意尽量消除应力。 必须保证管线的同心度和法兰的平行度。应使接管法兰螺栓孔相互对准，螺栓能自然穿入螺孔。尽量避免扭曲应力，减少零点漂移。多个传感器串联安装时，应防止共振现象。为此，每台传感器的支撑应彼此独立，传器间相互距离在2m以上. 仪表的专用电缆与动力线不要共线槽敷设，将穿线管接地。流量传感器应该可靠接地，接地电阻应小于4欧姆。如接地不好且电磁场和射频干扰较强时，流量计的数字显示会

19、出现大幅度的跳动。 流体的脉动会对科里奥利质量流量计带来影响，从而产生误差。 如发现零点漂移应再次调零，以免造成误计量。3 科里奥利质量流量计的优缺点优点- 直接测量真正质量流量，测量精度高。 可测量液体范围广，包括高粘度的各种液体，含有固形物的浆液，含有少量均匀分布气体的液体，有足够密度的气体 （压力较高的气体）。 测量管的振幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件或活动件。 对迎流流速分布不敏感，因而无上下流直管段要求。 测量值对流体粘度不敏感，流体密度对流量值的影响极微。 可作多参数测量，如同期测量密度。缺点 大部分型号的科里奥利质量流量计不能用于测量低密度介质，如低压气体，液体中含气量

20、超过某一界限会显著影响测量值。 对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的科里奥利质量流量 传感器安装要求较高。 压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号的科里奥利质量流量计甚至比容积式 仪表大100%。 大部分型号的科里奥利质量流量计的重量和体积较大。1. 质量流量计传感器安装位置的选择1）安装位置应远离能引起管道机械振动的干扰源，如工艺管线上的泵等。如果传感器在同一管线上串联使用，应特别防止由于共振而产生的相互影响，传感器间的距离至少大于传感器外形尺寸宽度的三倍。2）传感器的安装位置应注意工艺管线由于温度变化引起的伸缩和变形，特别不能安装在工艺管线的膨胀节附近。如果安装在膨胀

21、节附近，由于管道伸缩会造成横向应力，使得传感器 零点发生变化，影响测量准确度。3）传感器的安装位置应远离工业电磁干扰源，如大功率电动机、变压器等，否则传感器中测量管的自谐振动会受到干扰， 速度传感器检测出来的微弱信号有可能被淹没在电磁干扰的 噪声中。传感器应远离变压器、电动机至少5米以上的距离。4）传感器的安装位置应使管道内流体始终保证充满传感器测量管，且有一定憋压，这就要 求安装位置应在管道的低端。2. 质量流量计传感器安装方式的选择传感器的安装方式主要根据流体的相别及其工艺情况确定，有三种安装方式。1）若被测流体是液体，一般采用外壳朝下安装传感器，避免空气聚积在传感器振动管内，从而达到准确

22、测量质量流量的目的2）如果被测流体是气体，一般采用外壳朝上安装传感器，避免冷凝液聚积在传感器振动管 内。3）如果被测流体是液体、固体的混合浆液时，将传感器安装在垂直管道上，这可避免微粒聚积在传感器科氏力测量管内。此外，如果工艺管线需要用气体和蒸汽清扫，这种安装方式还可以便于清扫，但这种安装方式较前二种难于固定，且压损较大。3. 安装过程中其它注意事项1）传感器在安装到工艺管线上之前，应首先确认传感器的速度传感器线圈、驱动线圈的直 流电阻以及钳电阻温度计的电阻值是否正常。2）传感器安装法兰必须与管道法兰同轴连接，这样才能减小安装应力，保证测量精度。安装时应保证管道支撑物只支撑工艺管道，禁止用传感

23、器支撑工艺管道。应保证传感器外壳悬空，不与任何物体接触。3）传感器安装在工艺管线上时应保证管道系统与传感器上游、下游侧各两个位置的稳固支 撑物牢固连接，所有螺纹连接处必须紧固，夹紧工艺管道有助于减弱潜在的振动干扰。4）在安装过程中，应避免利用传感器外壳搬动传感器。5）在传感器安装位置附近工艺管道线上的阀门或泵都需要有其自己的支撑物，不能用支撑 传感器的支撑物来支撑阀门和泵。6）在传感器的上游、下游应装上断流阀。7）消除安装应力：在安装传感器时，为了消除安装应力，最有效的方法是先配管，将工艺管线及阀门与传感器整体预先安装好，然后吊装，再将其与工艺主管线相焊接。为了使消除应力的效果最好，应使传感器、断流阀与工艺主管线处于同一铅垂面内。4. 减振1）在安装传感器时，要选择好合适的安装地点，除了要远离振动源外，为了消除振动对测量的影响，在安装中还要采用支撑杆牢固支撑管道及阀门的方式。支撑杆的下端必须固定在稳固的基础上，上端与管道卡子相配合来支撑工艺管道线。切忌用传感器外壳来支撑传感器及管道线和阀门、泵等。2） 传感器安装后，其外壳应处于自由悬空状态。对安装方式1 ）、2），支撑杆应以传感器为中心对称分布。对安装方式3）,支撑物支点的选择要视具体情况而定。支撑杆的下端若固定在地面，必须是水泥和钢筋地基，目的是为了稳固支撑，同时起到减振作用。地基越稳固，其减振性越好。