科氏力质量流量计是近20年发展起来的直接式质量流量计。它的测量精度高达0.2%,量程比宽达20∶1,不受流场分布影响,可测高粘度,易结晶及污浊流。尽管它的价格远高于其它种类的流量计,却仍然受到石油、化工、建材、食品等行业的青睐。但科氏力流量计的传感器对安装的要求很高。如不能正确安装,它不仅达不到出厂时标定的测量精度,甚至不能正常工作。下面以传感器为双U型测量管(属于悬臂式结构的一种)的科氏力流量计为例,对传感器的安装要求进行分析。
1 无应力安装
科氏力流量计传感器的测量管有多种形式,双U型测量管(图1)为其中之一。两根相同的U型弹性测量管平行安装在固定板上。在驱动力作用下,它们以固有频率振动。当管内有流体流动时,流体在科氏力作用下使两测量管分别以O—O及O′—O′为轴扭动。其扭动量与管内流量成正比。由于测量管的扭动,两检测点之间有相对位移。管内无流量时,两检测点的检测波形为同频率同相位;管内有流量时,两检测点的波形为同频率不同相位。它们之间的相位差可以用时间差Δt表示。已知测量管材质、结构,Δt与流量Q的关系式为:
式中Q——质量流量
r——扭动力臂
Ks——测量管弹性系数(与材质几何结构及材质弹性模量有关)
Δt——检测波形时间差
从理论上讲,一台传感器制成后,流量Q仅与时间差Δt有关。当安装不当而引起应力过于集中时,固定板在应力作用下,发生或大或小的弯曲或扭转形变。固定板的形变必然造成不对称的附加扭矩和引起原力矩臂r的变化。这些结构常数的变化使仪表系数改变,导致仪表零点和灵敏度均偏离原标定值。固定板的形变也会使两测量管平行度变坏。严重时可使安装在两管上的检测线圈和检测磁钢变位,甚至卡死,以至仪表根本无法工作。
为保证传感器无应力安装,需注意以下两点:
1.1 保证外部连接管路的同心度和法兰的平行度
在外管路安装时,一定要保证尽量好的管道同心度及与仪表连接的外部法兰的平行度。在仪表法兰与外管路法兰连接时,应使所有固定螺栓无阻碍插入。这样就使安装造成的应力影响减至最小。
1.2 尽量避免传感器旗形安装
在一些厂家的说明书中通常建议传感器采用3种安装形式:当测量液体时,要求传感器U型测量管开口向上,即传感器壳体向下(图2a),以防止U型管顶部积气;当测量气体时,一般要求传感器U形测量管开口向下,即传感器壳体向上(图2b),以利于测量管内积液排出,测量粘稠流体、易结晶流体和有悬浮物流体时,则要求传感器采用旗形安装(图2c),即将传感器安装于垂直的外部管道上,以防止结晶、污物滞留测量管。如果不考虑应力的影响,旗形安装是最理想的:
既可排气排液,又可防止悬浮物和污物的滞留。但从应力的影响来看,是否采用旗形安装是需要慎重考虑的。因为传感器自身的结构重量和流体的重量将使U型测量管产生不对称形变而导致仪表零点和灵敏度改变。因此,从仪表稳定性角度考虑,传感器应尽量避免旗形安装。
2 无共振安装
科氏力流量计是以振动方式工作的。双U形测量管的谐振频率可表示为〔1〕:
式中E——测量管材质弹性模量
di、d0——测量管的内外径
l、r——测量管直管段长度和扭转力臂
ρT、ρL——测量管材质密度及流体密度
m——检测驱动装置及其固定件质量
由上式可知,相同口径的传感器的谐振频率非常接近。对双U型测量管传感器来说,一般情况下,外部振动的影响由于同时作用于两测量管而被相互补偿抵消。但外部的振动频率与传感器工作频率相同时,这种振动的干扰是无法消除的。外部无效振动与传感器振动同频时会发生共振,使传感器振动异常而无法工作。多台科氏力流量计之间的干扰是最常见的同频干扰。同一口径的科氏力流量计在测量同种流体时,它们的工作频率很接近。安装在相连的管道上,或同一基座上,或在较近的距离内两台或两台以上科氏力流量计传感器同时工作时,传感器会引起共振,互相干扰,各传感器均无法工作。
为防止共振发生,应使各传感器安装在独立的基座上,它们之间的距离应尽量远,并使安装方向不同。必要时要从内部结构上作调整,使各传感器的工作频率相互偏离。总之要采取各种措施消除同频干扰。以下是一个多台同一口径科氏力流量计传感器在相连管道上近距离安装使用的例据。印度尼西亚某浮法玻璃厂使用6台口径均为16mm的质量流量计。6台传感器安装如图3所示。各传感器间距仅为0.5m,且同时检测同一主管道流出的重柴油。原安装存在两个问题:一是6台传感器并排紧邻安装,相互间产生和传递共振干扰;二是未对传感器进行支撑。当6台流量计全部开启工作时,所有6台表均无法工作,显示乱跳,不能指示流量。当仅开启相邻两台时,情况有所好转,但仍然无法显示正确流量。如果每隔一台开动一台,即第1、第3、第5仪表工作,第2、第4、第6仪表停运,情况明显好转。在对各传感器单独进行牢固支撑后,6台仪表全部正常运行。
尽管科氏力流量计采用了各种措施防止外部振动干扰,但并不能完全消除外部振动的影响。所以传感器的安装应尽量远离各种振动源。如马达、泵、搅拌机及鼓风机等。
3 传感器坚固稳定的支撑
科氏力流量计是以振动方式工作的。不停地外界振动及流体的冲击都会使传感器放置的位置发生变化。传感器稍有移动其零点就会发生变化。在所有厂家的使用说明中都强调,仪表每一次重新安装后都要重新调零。传感器每一次晃动都使安装状态变化一次,零点就变化一次。由于不能随时调零,零点的跳动就会给测量带来误差。由此看来,科氏力流量计的传感器必须有坚固稳定的支撑。这里包括支撑点、支撑臂和基座3个因素。
3.1 支撑点
支撑点应选在紧靠与传感器法兰连接的外法兰外侧,离外法兰越近越好。即使支撑点尽量靠近传感器,又使传感器安装检修便利。在支撑点处,管路应被管卡钢性压紧在支撑臂上,使之不能上下左右移位。当外部振动比较激烈时,应采用双支撑法。即在连接传感器的两个外法兰以外的外管路上,每边均采用两个单独的支撑。两支撑点间的距离应大于传感器自身法兰间距离。
3.2 支撑臂
支撑臂要尽量粗,尽量短。不能以外部管线作为支撑臂。有时传感器安装位置较高,支撑臂较长。传感器的振动和流体的噪声会使支撑臂摆动起来。这样支撑臂就不起作用了。这时可搭一稳固的小平台,将支撑臂可靠地立于其上。或在支撑臂下部灌注水泥墩,以缩短支撑臂长度。
3.3 基座
基座对于稳固的支撑是至关重要的。不能在不坚实的楼板、楼梯或别的管路上立基座。当传感器离地面较高,而离稳固的水泥墙较近时,可以以坚固的墙壁为基座,将传感器安装于固定在墙上的三角铁上。当基座选在较高又不太坚实的平台上时,人们在上面走动时会使零点不停跳动。故选用较高平台作安装基座时,应首先对平台进行妥当加固。通常可采用很厚的水泥层将该平台的支撑腿绝大部分包裹起来。
下面是两个支撑对测量影响的实例。浙江江山化工总厂一台40mm口径科氏力流量计用于测量二甲胺。其传感器安装于4m高的管道上。
传感器一边支撑臂立在稳固的平台上,另一边以管路作为支撑臂。仪表计量误差很大。后对两边均进行单独稳固支撑,仪表工作正常。
吉化公司某加油站4台65mm口径科氏力流量计用于测量汽油和柴油。安装流程如图4所示。安装位置距离地面为3.5m,且无支撑。其中1和3,传感器安装间距为0.5m.2和4传感器的安装情况也相同。当4台表同时开启时,由于互相干扰均无法正常工作。在各传感器均进行单独稳固支撑后,情况明显好转。后又砌灌一个0.8m高的水泥台,将所有支撑臂底部都固定在内。这样即建立了稳固的基座又缩短了支撑臂长度。
采取了这一系列措施后,所有4台流量计中任意两台对角安装的仪表可以同时开启并正常工作。可以肯定,当1和3及2和4之间的距离拉大以后,4台仪表均可以正常地同时投运。传感器的使用除了安装上的问题外,还有磁场干扰,外部流程不适当(液态烃气化问题)等一些其它问题需要注意。在此不多述。
4 结束语
随着科氏力流量计越来越广泛的使用,厂家和用户都在不断地总结经验,安装的经验就是其中之一。只有正确地安装使用,科氏力流量计才能以它高性能的优势战胜自身高价格的劣势,而被用户接纳,得到广泛应用。
本文作者：傅红巾 何 静 林振峰
