化工車(chē)間科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的原理及其應(yīng)用

馬鳳寶，董笑飛，王曉波 （大慶石化建設(shè)公司，黑龍江 大慶 163714）

化工車(chē)間科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的原理及其應(yīng)用

馬鳳寶，董笑飛，王曉波 （大慶石化建設(shè)公司，黑龍江 大慶 163714）

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)稱得上是真正意義上的質(zhì)量流量測(cè)量，具備一系列工程應(yīng)用優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為工業(yè)控制及節(jié)能管理領(lǐng)域較多使用的流量?jī)x表，廣泛應(yīng)用于石化、制藥及其他工業(yè)領(lǐng)域。本文從化工車(chē)間科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的原理和結(jié)構(gòu)入手，總結(jié)了一些安裝使用上的注意事項(xiàng)和使用方法，對(duì)其選用及安裝進(jìn)行說(shuō)明，最后簡(jiǎn)單闡述了科里奧利質(zhì)量流量計(jì)在化工車(chē)間的投運(yùn)及常見(jiàn)故障的處理方法。

科里奧利力；質(zhì)量流量計(jì)；工作原理；應(yīng)用

Ketwords: Coriolis force; Mass fl owmeter; Work principle; Application

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中，流量參數(shù)極其重要。目前，流量計(jì)的種類各式各樣，其中較為常見(jiàn)的是體積流量計(jì)，如節(jié)流式流量計(jì)、電磁流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、超聲流量計(jì)等[1]。由于在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，工程師對(duì)于經(jīng)濟(jì)核算、物料平衡等工程因素更加關(guān)心，所以體積流量計(jì)的應(yīng)用有所限制，如何測(cè)試流體的質(zhì)量成為了實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)難題。盡管有人能夠利用體積流量計(jì)及流體密度計(jì)算出測(cè)試流體的質(zhì)量，但由于此方法結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，測(cè)量精度受外在溫度、壓力等影響較大。因此，工程技術(shù)人員迫切希望能夠開(kāi)發(fā)出一種能直接測(cè)量管道中流體的質(zhì)量流量的新型流量計(jì)。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（Coriolis Mass Flowmeter，CMF），即科氏力質(zhì)量流量計(jì)，可以直接測(cè)量流體質(zhì)量流量，并且精準(zhǔn)度極高，誕生于美國(guó)， 并且起初由美國(guó)艾默生公司旗下著名品牌Micro Motion于八十年代將其技術(shù)完善成熟、商品化并推向市場(chǎng)?？剖狭|(zhì)量流量計(jì)不僅能夠高精度測(cè)量腐蝕性介質(zhì)及易爆炸介質(zhì)的質(zhì)量流量和介質(zhì)密度，而且還可以在庫(kù)存量控制及批量控制、貿(mào)易結(jié)算等方面發(fā)揮作用。因此，可以說(shuō)科氏質(zhì)量流量計(jì)是測(cè)量技術(shù)的一個(gè)里程碑， 具有劃時(shí)代意義，它實(shí)現(xiàn)了工程師直接測(cè)量質(zhì)量流量的愿望，同時(shí)達(dá)到了需要的精度。自其問(wèn)世后，一直深受行業(yè)熱捧。

2 工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是基于科里奧利（Coriolis）效應(yīng)而制成的流量測(cè)量?jī)x表。在旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)，由于慣性，會(huì)按照原有運(yùn)動(dòng)方向一直運(yùn)動(dòng)，然而體系本身將始終保持旋轉(zhuǎn)，所以，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)體系中質(zhì)點(diǎn)的位置將發(fā)生一些變化，這時(shí)，若從旋轉(zhuǎn)體系的視角來(lái)觀察，旋轉(zhuǎn)體系原來(lái)的轉(zhuǎn)向會(huì)發(fā)生輕微偏離。如果體系內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于慣性系為直線運(yùn)動(dòng)，那么其旋轉(zhuǎn)路徑相對(duì)于體系而言，可以看為曲線。從旋轉(zhuǎn)體系的角度出發(fā)，必須存在一個(gè)力，在這個(gè)力的作用下，質(zhì)點(diǎn)發(fā)生運(yùn)動(dòng)，該力即為科里奧利力（科氏力）。

科里奧利力的計(jì)算公式如下：

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。兩根U形管（也可以是一根）在驅(qū)動(dòng)線圈的作用下，以一定頻率震動(dòng)，被測(cè)流體從U形管流動(dòng)，其流動(dòng)方向與震動(dòng)方向垂直，在科氏力的作用下，U型管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角θ，因此U型管兩管端通過(guò)振動(dòng)中心就產(chǎn)生了時(shí)間差，此時(shí)間與質(zhì)量流量qm成正比，其關(guān)系式如下：

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)由兩部分組成：一是由流體從中流過(guò)的傳感器；另一部分是電子組件組成的轉(zhuǎn)換器，傳感器產(chǎn)生震動(dòng)并處理來(lái)自傳感器的信息，以實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。

U型管科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 U型管科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的基本結(jié)構(gòu)

流量計(jì)的測(cè)量管是兩根平行的U型管，驅(qū)動(dòng)U型管垂直于管道教運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器是由激振線圈和永久磁鐵組成。位于U型管的兩個(gè)直管管端的兩個(gè)檢測(cè)器用于監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器的振動(dòng)情況和檢測(cè)管端的位移情況，檢測(cè)出兩個(gè)振動(dòng)管之間的振動(dòng)時(shí)間差，以便通過(guò)轉(zhuǎn)換器給出流經(jīng)傳感器的質(zhì)量流量。

3 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)特性

在流體質(zhì)量流量測(cè)試過(guò)程中，某個(gè)流體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生的科氏力極其微小，因此要保證測(cè)量過(guò)程的高精度并不容易，因此，增加測(cè)量系統(tǒng)對(duì)科氏力的感應(yīng)或者在同樣科氏力的作用下增大測(cè)量系統(tǒng)的感應(yīng)強(qiáng)度能夠使測(cè)量系統(tǒng)產(chǎn)生精確識(shí)別可用的信號(hào)。因此，改善科氏力在測(cè)試系統(tǒng)管路上的作用強(qiáng)度是一個(gè)有效手段。改善測(cè)試系統(tǒng)管路上科氏力的作用強(qiáng)度的有效方法在于改善測(cè)試系統(tǒng)管路彈性，可以通過(guò)減小系統(tǒng)管路鋼性、選用彈性優(yōu)良的材料制造及準(zhǔn)確確定測(cè)試系統(tǒng)振蕩頻率，進(jìn)而達(dá)到將測(cè)試系統(tǒng)管路的形變?cè)黾拥哪康摹８鶕?jù)經(jīng)驗(yàn)，如果管上的科氏力越明顯，則系統(tǒng)彈性就應(yīng)該越好，那么測(cè)量管的管壁就會(huì)更薄，長(zhǎng)度也更長(zhǎng)。在此理論基礎(chǔ)之上可知，該方法既增加了測(cè)試系統(tǒng)管路的變形量和信噪比又減小了外界信號(hào)的干擾。測(cè)試系統(tǒng)管路上所受應(yīng)力應(yīng)該避免集中，以盡量減少材料的疲勞失效。測(cè)試系統(tǒng)管路所受應(yīng)力作用的形式不同會(huì)對(duì)管路的整體測(cè)量靈敏度產(chǎn)生輕微影響[2]。

4 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的使用

4.1 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的選擇

性能及可靠性是確定科氏流量計(jì)的首選要素。性能要素具體包含精準(zhǔn)度、壓力損失量、量程利用率及量程能力這幾個(gè)要素，可靠性則主要考慮實(shí)踐的檢驗(yàn)。

準(zhǔn)確度具體描述為流量百分比準(zhǔn)確度、滿量程準(zhǔn)確度和帶零穩(wěn)點(diǎn)穩(wěn)定度的準(zhǔn)確度，具體包括三個(gè)主要參數(shù)：偏差、重復(fù)性、線性和回滯。不同的制造商往往以不同的標(biāo)準(zhǔn)給出準(zhǔn)確度，對(duì)比數(shù)據(jù)時(shí)需要合理?yè)Q算。操作人員需要按照操作具體條件和傳感器的流量，初步選出傳感器的規(guī)格，從而計(jì)算出壓力損失，這些均是選型工作的必須步驟。誤差較大的高流量會(huì)使得壓力損失值較大，鑒于靈敏度較高，相應(yīng)的準(zhǔn)確度就好。相反，低流量會(huì)使壓力損失降低，靈敏度低，準(zhǔn)確度較差。所以，選擇的時(shí)候要全面分析，在保證較高的流量靈敏度和準(zhǔn)確度前提下，降低壓力損失。量程能力也是整個(gè)過(guò)程中需要注意的因素。如果使用毫安輸出信號(hào)，則與其他儀表的選擇沒(méi)有任何差別[3]。

量程利用率同樣不容忽視，一般可通過(guò)生產(chǎn)商給出的科氏力流量計(jì)在各種流速下的量程利用率、壓力損失和準(zhǔn)確度曲線來(lái)計(jì)算其在給定應(yīng)用中的性能。

4.2 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的安裝

根據(jù)前面所述科氏流量計(jì)的理論基礎(chǔ)及結(jié)構(gòu)，該型流量計(jì)的安裝有如下的基本要求：

（1）傳感器、變送器均為出廠前配套標(biāo)定，在工廠安裝時(shí)需要核對(duì)。一旦變送器更換，則需要重新配套標(biāo)定。

（2）傳感器及變送器需要盡量遠(yuǎn)離電磁信號(hào)干擾，如廠區(qū)內(nèi)電動(dòng)機(jī)、繼電保護(hù)器等電磁裝置。

（3）測(cè)試系統(tǒng)管路內(nèi)應(yīng)盡量保證充滿被測(cè)介質(zhì)。被測(cè)介質(zhì)不同，安裝方式也會(huì)變化。

（4）安裝過(guò)程中，務(wù)必保證傳感器與系統(tǒng)管路同軸對(duì)準(zhǔn)安裝，原則上應(yīng)該盡量做到軸向和徑向無(wú)應(yīng)力安裝。

（5）傳感器盡量需要安裝在直管段之后，或者節(jié)流器件、阻流元件之前，以確保流體均質(zhì)、可靠地通過(guò)振管。

4.3 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的投運(yùn)

4.3.1 投用前的檢查

檢查流量傳感器和變送器的型號(hào)、編號(hào)。檢查流量計(jì)的組態(tài)是否正確，流量計(jì)的流量標(biāo)定系數(shù)、密度標(biāo)定系數(shù)、溫度標(biāo)定系數(shù)是否正確。儀表測(cè)量范圍、耐溫、耐壓值是否與被測(cè)流體相符、安裝是否符合要求、接線是否準(zhǔn)確可靠。

4.3.2 調(diào)整零點(diǎn)

（1）記錄原來(lái)零點(diǎn)校準(zhǔn)系數(shù)；

（2）通過(guò)功能菜單啟動(dòng)零點(diǎn)校正，等待校正完成；

（3）記錄新的零點(diǎn)校準(zhǔn)系數(shù)。

在調(diào)整零點(diǎn)前要注意以下幾點(diǎn)：

給變送器通電，使它預(yù)熱至少30分鐘，確保變送器處于允許流量計(jì)調(diào)整的安全模式；雖然質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量的是流體的質(zhì)量流量，實(shí)際溫度對(duì)質(zhì)量沒(méi)有影響，但會(huì)影響儀表零點(diǎn)的穩(wěn)定性，因此鑰匙的傳感器溫度值接近正常的過(guò)程運(yùn)行溫度，才能調(diào)零；保證傳感器滿管，關(guān)閉在流量計(jì)下游的截止閥，使流過(guò)傳感器的流量為零，然后才能調(diào)零。調(diào)零過(guò)程中必須保證流過(guò)傳感器的流體完全不流動(dòng)。

4.3.3 投運(yùn)

（1）打開(kāi)流量計(jì)前后閥門(mén)，關(guān)閉旁路閥門(mén)，使儀表投入運(yùn)行；

（2）儀表投運(yùn)后，各可調(diào)部分不得隨意改變。

4.4 常見(jiàn)故障及處理方法

（1）轉(zhuǎn)換器無(wú)顯示：檢查電源及電源保險(xiǎn)絲是否燒斷；

（2）零位漂移：檢查閥門(mén)是否泄漏，流量計(jì)的標(biāo)定系數(shù)是否準(zhǔn)確，阻尼是否過(guò)低，是否兩相流，傳感器接線盒是否潮濕；接線是否正確；接地是否正確，安裝是否有應(yīng)力，是否有電磁干擾。

（3）顯示和輸出值波動(dòng)：檢查阻尼是否太小；驅(qū)動(dòng)放大器是否穩(wěn)定；密度顯示值是否穩(wěn)定；接線是否正確是否有振動(dòng)干擾；傳感器管道是否堵塞或者有積垢；是否兩相流。

（4）質(zhì)量流量顯示不正確：檢查流量標(biāo)定系數(shù)是否正確；流量單位是否正確；檢查零位是否正確，若不正確重新調(diào)零；檢查流量計(jì)組態(tài)是測(cè)量質(zhì)量流量還是測(cè)量體積流量；密度標(biāo)定系數(shù)是否正確；流量計(jì)所顯示的被測(cè)介質(zhì)的密度、溫度是否正確；接線是否正確；接地是否正確；是否兩相流；

（5）密度顯示不正確：檢查密度標(biāo)定系數(shù)是否正確；接地線是否正確；接線是否正確；是否兩相流；是否振動(dòng)干擾；是否為團(tuán)狀流；

（6）流量計(jì)有電源，無(wú)輸出：用萬(wàn)用表檢查傳感器不同接線端的電阻，是否與廠商提供的數(shù)據(jù)相符。

5 結(jié)語(yǔ)

科氏質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用廣泛、技術(shù)先進(jìn)， 在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用對(duì)強(qiáng)化控制、加強(qiáng)計(jì)量管理和節(jié)能降耗起著越來(lái)越重要的作用。但科氏質(zhì)量流量計(jì)技術(shù)含量高，故市場(chǎng)價(jià)格也較貴，所以在工程實(shí)際當(dāng)中就要求工程技術(shù)人員在選擇及使用科氏質(zhì)量流量計(jì)時(shí)要綜合考慮工程的實(shí)際需要及經(jīng)費(fèi)預(yù)算等方面，一旦選擇不妥，不僅得不到滿意的測(cè)量精度，還有可能無(wú)法進(jìn)行工程測(cè)量。特別地，對(duì)于那些測(cè)量精度要求不嚴(yán)格，沒(méi)有其他特殊情況時(shí)，最好不要任意使用科氏質(zhì)量流量計(jì)?？傊覀冃枰鶕?jù)各方面條件進(jìn)行權(quán)衡，在此基礎(chǔ)上合理選用科氏質(zhì)量流量計(jì) ，使其發(fā)揮應(yīng)有地工程實(shí)際意義。

[1] 胡子伯. 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用及性能評(píng)價(jià)[J]. 計(jì)量與測(cè)試技術(shù), 2001 (4) : 9 - 10.

[2] 許秀. 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的原理及應(yīng)用[J]. 工業(yè)儀表與自動(dòng)化裝置, 2005, (1) : 17 - 18.

[3] 張寶芬. 自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)及儀表控制系統(tǒng)[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2001.

Principle and Application of Coriolis Mass Flowmeter Used in Chemical Engineering

Coriolis Mass Flowmeter-CMF can be regarded as the real mass fl ow measurement, which has a series of engineering application advantages. As a mass flow meter, the CMF has been widely used in industry controlling and energy saving management fi elds such as petrochemical and pharmacy. This paper summarized some cautions and application methods from design principle and structure of the CMF, and also made some instructions on its installment, at last, brief l y explained the working and troubleshooting methods of the CMF.

馬鳳寶（1972-）男，黑龍江哈爾濱人，中級(jí)工程師，本科，畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，現(xiàn)就職于大慶石化建設(shè)公司，主要從事自動(dòng)化儀表、自動(dòng)控制方面的研究。

B

1003-0492(2014)02-0070-03

TB663

董笑飛（1981-），男，遼寧錦州人，中級(jí)工程師，本科，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，現(xiàn)就職于大慶石化建設(shè)公司，主要從事自動(dòng)化儀表、自動(dòng)控制方面的研究。

王曉波（1984-），男，黑龍江肇東人，中級(jí)工程師，本科，畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，現(xiàn)就職于大慶石化建設(shè)公司，主要從事自動(dòng)化儀表、自動(dòng)控制方面的研究。