石化行業(yè)羅斯蒙特質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理及應(yīng)用簡析

 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)今世界上的流量測(cè)量儀表之一，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。 

一、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） 

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： 
&nb 
sp; 
（1）法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P軸； 
（2）切向角速度αt，即科里奧利加速度，其值等于2ωV，方向與αr垂直。由于復(fù)合運(yùn)動(dòng)，在質(zhì)點(diǎn)的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用著一個(gè)反向力-Fc=-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)，任何一段長度Δx的管道將受到一個(gè)切向科里奧利力ΔFc： ΔFc=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：ΔFc =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,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*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；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，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*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。 

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。
二、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)。 

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。 

三、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。

四、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zui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zui校現(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。 

五、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，影響小；大口徑儀表壁厚管徑比校.

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 

& 
nbsp; 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