科里奥利质量流量计的工作原理及应用

      式中：f— 振动频率；
               m— 振动系统的质量；
               k— 振动系统的弹性常数。

      质量流量计振动系统的质量由管道质量mp。和管内流体质量mf两部分组成。而管内流体质量可写为

      mf=ALρ

      式中：A— 振动管横截面积；
               L— 振动管长度；
               Ρ—流体的密度。

      所以前式又可写成

      即振动系统的振动频率和管内流体密度的平方根成正比，通过测量振动频率就可以知道流体的密度。

      2 质量流量计的分类3 科里奥利质量流量计的优点

      2.1 按测量管形状分类

      （1）弯曲形

      首先投入市场的仪表测量管成U字形，后来相继开发出Ω字型、B字型、S字型、圆环形、长圆环形等。弯曲形测量管仪表相比直形测量管仪表种类更多。设计成弯曲形状是为了降低刚性，与直形测量管相比可以采用较厚的管壁，仪表受磨损、腐蚀影响较小，但弯曲形测量管易积存气体和渣子，因而会引起附加误差；此外，弯曲形测量管的CFF传感器体积大，制造成本也高。

      （2）直形

      直形测量管的CFF不易积存气体、便于清器的清洗，垂直安装测量粘度大的流体时，固体颗粒不易在暂停运行时积存于测量管内，且传感器尺寸小、重量轻，但测量管刚性大，管壁相对较薄，测量值受磨损、腐蚀影响大。

      有些型号直形管仪表的激励频率高，在600~1200Hz之间（弯形测量管的激励频率仅40~150Hz之间），不易受外界工业振动频率的干扰。

      近年来，国外产品中直形管品种呈增多趋势，生产弯曲形测量管的CFF生产厂家都在竞相开发直形管CFF。

      2.2 按测量管管段数分类

这里所指测量管段是流体通过各自振动并检测科里奥利力划分的独立测量管。

      （1）单管型

      初期开发的产品是单管式，因易受外界振动干扰影响，后期开发的CFF则多趋向双管形，但近年开发的产品又有采用单管的。

      （2）双管型

      双管型可降低外界振动干扰的敏感性，容易实现相位差的测量，目前为绝大多数型号的仪表所采用。

      3 科里奥利质量流量计的优点

      科里奥利质量流量计开发成功的时间不长，只有20来年的时间，但却获得了很大发展。目前，科里奥利质量流量计的国际标准已被国际标准化组织和国际法制计量组织通过并正式公布。其主要优点表现如下。

      （1）能够直接测量流体的质量流量，测量结果不受温度、压力、粘度和密度等因素的影响，仪表测量精度高，可达±0.2%。
      （2）臂内没有可动的机械部件，虽然检测臂有振动，但振幅小，不会因摩擦而影响测量结果。
      （3）管道内无障碍物，可通过含有固体颗粒的介质，且易于清洗。
      （4）应用范围广泛，除测一般介质外，还可测高粘度的流体、浆液，并可测气体。
      （5）对流体的流速分布不敏感，不受层流和紊流工况的影响，安装时，仪表前后不需要直管段。

      4 科里奥利质量流量计的缺点

      （1）价格昂贵。国外产品5000~10000美元一套，约为电磁流量计、涡街流量计的2~5倍；国内产品价格约为同口径电磁流量计的2~8倍。
      （2）零点不稳定形成零点漂移，影响CFF精度的进一步提高，使得许多型号仪表只得采用将总误差定为基本误差加零点不稳定误差。
      （3）不能用于测量低密度介质和低压气体；液体中含有的气量超过某一限制值（因型号而异）时，会明显影响测量结果。
      （4）对外界振动干扰较敏感，因而，为防止管道振动的影响，大部分CFF的流量传感器安装固定要求较高。
      （5）不能用于较大管径，目前尚局限于150mm（或200mm）以下。
      （6）测量管内壁有磨损、腐蚀或沉积结垢，会影响测量精度，尤其对薄壁管CFF的测量精度影响更为显著。
      （7）压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号CFF 甚至比容积式仪表的压力损失大100%。
      （8）大部分型号CFF的重量和体积大。

      5 应用实例

      气体厂10000t/a双氧水装置系统中采用了两台美国Schlumberger公司的Datamate 2100质量流量计，用于双氧水产品质量流量测量和批量灌装。刚开始使用时，厂家技术人员多次来厂调试没有成功，质量流量计始终不能投入使用，后来，通过广泛收集国内外有关资料，认真分析研究，并吸取前数次调试的经验教训，经反复调试，终于使该流量计投入了正常运行。

      5.1 Datamate 2100质量流量计主要技术特性

      5.1.1 传感器的主要技术特性

      测量管口径 DN25 ANSI
      测量管材质 316I SST
      测量管形状 双Ω测量管
      质量测量精度 ±0.15%
      可调量程比 1:0
      密度测量范围 0.4~2.0gm/cc
      密度测量精度 ±0.001gm/cc
      温度测量传感器 Pt100型电阻体
      温度测量精度 ±0.56
      传感器整体重量 26.4kg
      适用流体流量范围 5~500kg/min
      最高工作温度 204℃
      最低工作温度 -45℃
      最大工作压力 8.3MPa

      传感器与转换器最大连接距离150m，由一根8芯屏蔽电缆相连。

      5.1.2 转换器的主要技术特性

      Datamate 2100转换器是一个以微处理器为中心，软件版本为Vet 5.0l版，带批量控制运算功能，具有质量、密度、温度测量功能，并具有批量控制功能的混合控制器。内部自带安全栅与传感器相连，可工作于多种生产条件恶劣的场合，并可通过RS422串口与外部计算机通讯，用PC机对其进行各种设置和PC监控显示数据。

      5.2 Datamate 2100的工作原理

      传感器测量管结构如图2所示。振荡驱动器放在直管部分的中间位置，当管中流体以一定速度流动时，由于驱动器作用，使管子分开或靠近。

      当驱动器使管子分开时，如图3中的（a），在振点前的流体中产生的科里奥利力与振动力方向相反，减慢管子的运动速度；而在振点之后管中流体产生的科氏力与振动方向相同，加快管子的运动速度。当驱动器使管子靠近时，如图3中的（b），则产生相反的结果。传感器1、传感器2可测得两处管子运动的相位差，由此得到测量管中流体的质量流量，传感器将模拟信号传给转换单元处理，经质量、密度计算和温度修正后，得出正确值。

      5.3 Datamate 2100流量计的编程参数设定

      5.3.1 单位设定

      5.3.2 被测介质温度设定

      按按扭进入菜单显示，依次选择，根据被测介质温度与显示温度比较，选择正确测试值并输入。

      5.3.3 介质温度测量系数设定

      依次选择菜单：0.9970~1.000或出厂设定值。

      5.3.4 密度测量参数设定

      依次选择菜单  

      5.3.5 工作状态屏显参数设置

      进入菜单  

      5.3.6 系统参数设定

      （1）SCALER&ZERO设定

      按，输入SCALER&ZERO适当值。

      （2）TEMPERATURE GAIN设定

      按，输入温度增益值。

      （3）DENSITY CONSTANTS设定

      按，输入密度常数C1和C2值。

      5.4 批量控制调校

      5.4.1 仪表测量零位校正

      仪表在流体满管状态下.进入菜单，选择仪表零位自动调整状态，等待数十秒，直到显示结束调整。

      5.4.2 批量控制程序编程和参数设置

      按，依次输入：

     
      ：OFF。

      5.4.3 校验条件和设备

      （1）25 kg砝码一个，检定合格的台秤一台，标准灌装桶一个。称出空桶重量，校准台秤25kg刻度。
      （2）表配管和电缆连接符合技术要求（具体指标参照说明书）。
      （3）仪表开机显示无异常和错误报告。
      （4）系统外部供电和内部供电符合技术要求（具体指标参照说明书）。

      5.4.4 批量控制回路图（见图4）

      5.5 灌装批量控制调校

      （1）准备一台检定合格的台秤，一个标准包装桶，用于称量灌注后桶的毛重和空桶重量。
      （2）顺序按下

      按，启动批量控制，直到灌注结束，完成一个批次过程，按比较灌装桶内流体净重和预设控制量（25kg）是否相同，如不同，按，输入比实测净重量多或少的新批量控制值，重复多次这样的批量控制过程，最终使桶内流体净重达到批量控制值。按 两次退出。

      （3）退出单批量调校状态，选择运行状态，按下键，开始连续运行多批量控制，连续灌注五桶，用台秤称出毛重，算出净重，使净重≤25±0.1kg，结束全部调校工作。

      （4）填写校验记录表。

      （5）校验过程中，观察仪表是否能连续进行批量控制，能连续进行为合格；检验净重误差，净重误差小于±0.1 kg为合格。若满足以上两项，仪表系统合格。根据校验结果得出校验结论。

      5.6 实际问题的解决

      5.6.1 传感器问题

      工作中主要出现的问题是传感器部分报错，停止工作，转换器显示出错信息“SENSOR ER-RoR/TUBES NOT VIBRATING。装置安装调试初期，两台仪表经常出现这种问题。说明书中列出出错的可能原因有：①测量管流体不满管；②液体中带气；③测量管中密度层化，管中有不同类液体；④管路系统振动，未固定好；⑤连接线路有问题等。但经过逐一排查，排除了以上原因，调试曾一度陷入困境，甚至认为传感器可能有问题。后来，经过查找相关资料、对其工作原理仔细分析理解、重新校对安装、重新调试各种参数等大量工作后，排除了很多可能原因，我们最终确认，质量流量计传感器出错原因主要是因为传感器工作不稳定、测量管产生信号弱造成的。

      根据科里奥利质量流量计工作原理可知：当测量系统中液体作用在测量管上的科里奥利力很小时，会给仪表的精确测量带来困难，要使测量管产生足够强的信号，就应加大科里奥利力对测量管的作用或在相同科里奥利力的作用下增大测量管的变形。从Fc=2ωvm公式可看出，在被测流体一定时，加大ω或v，即可提高Fc。而ω的增大，在仪表上就需要提高振动频率和振幅；v的增加就是增大流速。提高振动频率主要是通过提高驱动器电压来实现的，本仪表标准Vibration Amplitude/sensor Voltage=200±5mV RMS，我们将其提高到250mV RMS左右；同时对灌装液体加压到0.3MPa，从而将流量控制在80~90kg/min左右。

      通过上述调整，系统仪表实际运行情况显示，两台仪表工作状态逐渐稳定，传感器出错信息报警不再出现。

      5.6.2 计算机处理单元故障

      由于本仪表不仅用于测量质量流量，还用于批量控制，通过继电器开关量输出控制外部电磁阀工作，进行双氧水精确灌装。运行过程中仪表报警信息有时出现“SYSTEM ERROR 1/OPER-ATION TERMIATED”，并死机。经过分析发现，出现报警信息主要是由于电磁阀直流感性负载在工作时产生的噪声进人仪表引起干扰造成的。我们在仪表输出端、负载端并联一支反向击穿电压200V的二极管后，克服了电磁阀反电动势的干扰，效果显著。报警信息没再出现。

      5.6.3 传感器温度修正出错

      从质量流量测量原理上说，质量流量与科里奥利力相关，不受温度直接影响，但因测量管是金属材质，不同金属管材膨胀系数不同，受温度变化引起的机械变形也就有所不同，而质量流量又是通过测量管变形来确定的，因此，实际上，仪表测量值是要受温度影响的。为此，制造厂家专门设计了一套温度校正电路来克服温度对仪表的影响。

      系统仪表运行过程中，仪表曾出现报警显示“SENSOR ERROR”，并死机。进行故障原因分析后认为，出现报警信息的主要原因在于：每天开始灌装头几桶产品时，管道中的液体温度是室温，而开始灌装后，液体的流动又使流过仪表的新液体温度在40~60℃左右，短时间内流过仪表的液体温差的过大使仪表温度测量变化过大，造成仪表温度校正电路响应过激，最终导致计算机出现处理出错并死机的现象。找出故障原因后，我们采取的解决方法是：重新设定温度参数，校正温度显示，同时调整Temper Amplifier Off set Voltage=0.0±0.1 mVDC。从而确保了仪表的工作在受控范围。

      6 结束语

      随着仪表科学技术的不断发展，科里奥利质量流量计的制造技术日渐成熟，成本逐渐降低，凭借其在流体质量流量和密度测量方面的优良特性，科里奥利质量流量计必将更加广泛地应用于化工过程控制。但也由于科里奥利质量流量计集流体力学、旋转机械、电磁技术、光电技术、计算机技术为一体，具有一定的复杂性，因此，在不同环境、不同条件下使用时，应有针对性地具体分析和研究，并根据仪表自身特点进行正确调试。这样，才能使科里奥利质量流量计正常运行，并发挥出其优良的特性。

      参考文献