质量流量计.docx

质量流量计.docx

《质量流量计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《质量流量计.docx（40页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

质量流量计

第三篇 质量流量计

3．1 概述

在石油化工生产过程中，需要及时掌握原料、半成品和成品的流量，以便控制工

艺条件，实现安全生产，保证产品产量和质量；同时在企业的经济活动中，必须加

强经济核算，严格流体原料和成品的计量，从而给企业创造良好的效益。

所以，测

量和控制各种流体介质（液体、气体和蒸汽等）的流量，是石油化工企业一个不可

缺少的重要环节。

所谓流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量，即瞬时流量。

而在某

一段时间内所流过的流体流量的总和，即各瞬时流量的累计值，称为总量。

流量可

以用体积和质量来表示，分别叫做体积流量（常用 Q 表示）和质量流量（常用 M

表示）。

它们之间的关系是：

M=Q×ρ 或 Q=M/ρ 式中ρ —流体的密度。

流量测量有各种方法，根据这些方法制成种类繁多的流量仪表。

目前工业上所

用的流量仪表大致可以分为三大类：

1．速度式流量仪表

速度式流量仪表以测量流体在管道内的流速为测量依据。

在已知管道截面积 F

的条件下，流体的体积流量 Q=υ *F。

而体积流量乘上被测介质的重度就得到重量流

量，即 G=Qγ =υ Fγ 。

属于这一类的流量仪表很多，例如：

差压流量计、转子流量

计、涡轮流量计、旋涡流量计、叶轮式水表、靶式流量计、超声波流量计和电磁流

量计，等等。

2．容积式流量仪表

容积式流量仪表以单位时间内所排出的流体的管道容积 V 的数目作为测量依据。

属于这一类的流量仪表有：

盘式流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计和双转子流

量计等。

如果单位时间内的排出次数是 n ，则体积流量 Q=n*V，而重量流量则是 G=Q

γ =n*V*γ 。

3． 质量式流量仪表

在实际生产过程中，重量流量往往会受到被测介质的工作压力、温度、粘度、成

分以及相变等等许多参数变化的影响，这样给流量测量带来较大的误差。

因此，为

了对流体进行准确计量，需要测量流体的质量流量。

质量流量计就是用来测量流体

的质量流量 M 的。

目前这一类仪表有直接式和补偿式两种。

前者是直接测量单位时间内所流过介

质的质量，即质量流量 M。

后者是在速度式和容积式流量仪表的基础上，分别测量

两个相应参数（如密度、温度、压差和流速等），再通过一定形式的数学运算而间接

获得质量流量 M。

但是，因为其系统复杂，精度也难以满足要求，所以应用受到一

定限制。

这一章，我们仅介绍直接式质量流量仪表。

3.2质量流量计的基本原理

质量流量计是基于科里奥利原理工作的，现在我们来进行讨论。

3.2.1质量流量计的发展历史

早在十九世纪，法国科学家科里奥利（Coriolis）提出科里奥利加速度理论，奠

定了质量流量计的理论基础。

本世纪中期，世界各国开始利用科里奥利原理设计质

量流量计，但是人们始终未能解决用一个简单的方法，使作直线运动的物体同时处

于一个旋转系中的难题。

一直到七十年代中叶，美国的 James Smith 发明了基于振

动方法的、结构简单的、将两种运动巧妙地结合起来的振动管式质量流量计，才使

得科里奥利质量流量计（简称 CMF）的设计走出困境。

在 1977 年，美国的 Micro

98

Motion 公司，首先将 CMF 商品化并推向市场。

二十年来，科里奥利质量流量计获得很大发展。

据统计，从 1992 到 1996 年的

五年内，界各国 CMF 的销售额占整个流量仪表销售总额的比例，由 9%（1.26 亿美

圆）上升到 16%（2.9 亿美圆）。

有人预测，在今后几年，每年还将以25%至 30%的

速度增加。

科里奥利质量流量计的生产厂家，主要集中在欧美工业发达国家和地区。

美国的

Rosemount Micro Motion 公司，是世界上第一个推出产品，也是最大的生产厂家。

其他著名的公司还有美国的 Fisher Control EXAC 公司、Foxboro 公司、Smith Meter

公司和 Solum Berger 公司，德国的 Heirichs 公司、Endress+Hauser 公司、Bopp&Renther

公司和 Krohne 公司，丹麦的 Donfors 公司以及日本的 OVAL 公司等。

目前，我国也

有一些企业在生产质量流量计，但在质量方面和国外企业比起来仍有些差距。

从九十年代初开始，我国许多石油化工企业纷纷引进 CMF，至今已经达到千

台以上。

我厂近年也有数十台投入运行。

目前，我国已经有数家仪表制造厂家与外

商共同投资，在中国生产直形管、U 形管和Ω 形管等几个类型的科里奥利质量流量

计。

科里奥利质量流量计能够直接地在线测量具有爆炸危险和腐蚀性的流体的质量

流量和密度，可以应用于贸易结算、库存量和累积量以及批量控制。

它的出现是流

量测量技术领域的一项重大成果，实现了人们长期以来一直追求的高准确度直接测

量质量流量的愿望，因而受到仪表行业的普遍欢迎。

毫无疑问，这类仪表将成为今

后最重要的流量测量工具。

3.2.2科里奥利原理

科里奥利质量流量计是通过振动管产生科里奥利力，来精确测量流体的质量流量

的，流体的密度、粘度。

导电系数、流体状态、操作温度和都不会影响测量的准确

度。

当一个位于旋转体内的质点作朝向或远离旋转中心运动时，将产生一个惯性力，

如图 3-1 所示，设质点的质量为 m，用匀速 V 在一个对于固定点 O 以角速度ω 旋转

的管内移动，质点 m 将获得二个加速度的分量：

（1）法向加速度α r（向心加速度），其量值等于ω 2m，方向指向 O 点；

（2）切

向加速度α τ （科里奥利加速度），其量值等于 2ω υ ，方向与α r 垂直。

根据牛

顿第二定律在α r 方向上作用着科里奥利力 FC=2ω υ m，管道对质点则作用着一个

反作用力-2ω υ m。

当密度为ρ 的流体在旋转管道中以恒定速度 υ 运动时，任何一

段长度为

 的管道都将受到一个大小为

 的切向科里奥利力，其大小为

△FC =2ω υ ρ 

x

式中，A 为管道的内横截面积。

设质量为δ m，则δ m=ρ υ A，故

△FC=2ω δ 

x

所以只要能直接或间接地测量在旋转管道中流动的科里奥利力，就可以测量质量流

量，此即 CMF 的工作原理。

但是，通过旋转运动产生惯性力是个不现实的，在实

际的质量流量计设计中，是用管道振动所需的力代替上述的惯性力。

当充满流体的

管道以等于或接近于自然频率振动时，维持管道恒定振动所需的驱动力是最小的。

α t

α r

ωδ m

△x

r

科里奥利力

FC

υ

T                  99

3.2.3质量流量计的设计思路

在质量流量计中，一般采用振动管两端固定，而两个固定点中间位置上由电磁

振荡器产生振动，这将使管道的两个半段以相反方向振荡旋转。

当一定质量的流体

通过测量管流动时，科里奥利力使管道产生扭转振动，使得在测量点处的相对位移

有一很小的相位差，它与质量流量成一定的比例关系。

测得这个相位差，就获得了

质量流量。

在振荡管两侧，装有电磁位置检测器，它感应产生的电压可以用正弦波表示。

两个检测器产生的电压相位差信号，由电子转换电路放大和整形，转换成与质量流

量成比例的电压信号，经过输出电路输出标准信号。

3.2.4科里奥利质量流量计的特点

目前，科里奥利质量流量计的国际标准，已经国际标准化组织（ ISO）和国际

法制计量组织（OIML）讨论通过并正式公布。

这标志 CMF 已经成为重要的、广泛

应用和比较成熟的流量仪表。

而 CMF 之所以受到如此重视，是由于它确实具有许

多其它仪表无可比拟的特点：

1）能够直接测量质量流量，不受温度、压力、粘度和密度等因素的影响，仪

表测量精度高。

2）没有可动的机械部件，不会因摩擦或阻尼而影响测量结果，管道内无障碍

物，便于清洗。

3）应用范围广泛，除一般介质外，可以测量高粘度流体，甚至含有固体颗粒

的浆液，选择适当的型号还能测量腐蚀性介质。

4）对介质的流速分布不敏感，仪表前后不必设置直管段。

5）可以进行多参数测量，在测量质量流量的同时，还能获取体积流量和密度

数据。

3.3 质量流量计的构成

科里奥利质量流量计测量系统一般由传感器、变送器和显示装置组成。

传感器

和变送器通常组合在一起，安装在工艺管道上，而显示装置可以根据需要来决定配

置与否。

流量感器流量变送器

（RFT9739）

后位设备

毫安输出 （4-20 mA）

变送器接口 （HC275）

频率/脉冲输出 （0-10 kHz）

后位设备

（ALTUS Model 3300）

100

3.3.1传感器

传感器的敏感元件是测量管。

任何仪表的研制，敏感元件、传感器的开发都是

最关键的，世界各国的制造厂家在这方面不惜花费很大功夫。

各厂家的测量管有不

同的形状。

如美国的 Micro Motion 公司和 Fisher 公司是 U 形管。

前者已与 Rosemount

公司合并，成为世界上最大的质量流量计生产厂家，近年又开发出 ZS 形测量管。

德国 Endress+Hauser 公司用一形管，或叫直形管；Bopp&Renther 公司为扁形管；

Krohne 公司是 S 形管；Heirichs、Solum Berger 公司用Ω 形管。

各种形状的测量管，

互有利弊，很难简单地加以评价。

下面，我们以美国 Rosemount Micro Motion 公司

的产品为例给以介绍。

图 3-4 是 U 形振动管的工作原理。

假设某一时刻 U 形管向上，则流入 U 形管的

质点 m 对管道产生向下的推力。

在质点 m 流出 U 形管时，它对管道产生向上的推

力。

当 U 形管向下振动时，就产生跟上述情况相反的推力。

这种与流动方向相垂直

的科里奥利力，必然导致 U 形管产生扭曲，其扭矩 T 可以用下式表示：

T=（ω L）².Q m

式中ω --U 形管的振动角频率；

Q m—流体的质量流量；

L—振动管的直管长度；

T—扭矩

传感器测出这个弯曲并把它转变成电信号，信号的大小与流经 U 形管的质

量流量成正比。

出口

出口侧支撑轴线支撑轴

入口

输出侧

入口侧

中心轴

输入侧

介质作用力（出口）

入口侧

出口侧

振动流量管无流量测量示意图

介质作用力（入口）

振动流量管有流量测量示意图

振动管在驱动线圈的电磁作用下，以一个固定的频率振动。

流经管道的流体密

度不同，振动频率也会不同。

因此，通过测量该振动频率，就可以测量流体的密度。

于是，CMF 既可以实现流体质量流量的测量，也可以实现流体的密度的测量，使用

十分方便。

101

密 度 测 量 原 理

固定端

出口

入口

密度测量

Rosemount Micro Motion 公司的产品主要有 D、ELITE（CMF）和 BASIS（F）

三种系列传感器，前两种已在我厂应用。

1）D 系列传感器（图 3-9）。

它有标准型、高压型、高温（DT）型、连续管（DL）

型和耐蚀镍基合金（Hastelloy）型等品种；有 D6 一直到 D600 的众多型号，字母后

面的数字代表测量管的尺寸（单位是 1/100 英寸）。

它的测量范围，D300，约 190t/h；

D600，约 680t/h。

测量精度，流量为±0.15%满刻度，密度为±0.0005g/cc。

D 型传感器

外壳

流量管

驱动线圈

支撑

热电阻

Pickoffs

（RTD）

过程连接过程连接

2）ELITE（CMF）系列传感