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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=υFγ。

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JamesSmith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

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

RosemountMicroMotion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FisherControlEXAC公司、Foxboro公司、SmithMeter公司和SolumBerger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αr（向心加速度），其量值等于ω2m，方向指向O点；

（2）切向加速度ατ（科里奥利加速度），其量值等于2ωυ，方向与αr垂直。

根据牛顿第二定律在αr方向上作用着科里奥利力FC=2ωυm，管道对质点则作用着一个反作用力-2ωυm。

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△X的管道都将受到一个大小为△FC的切向科里奥利力，其大小为

△FC=2ωυρA△x

式中，A为管道的内横截面积。

设质量为δm，则δm=ρυA，故

△FC=2ωδm△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。

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

（ELITECMF）

流量变送器

（RFT9739）

后位设备

毫安输出（4-20mA）

频率/脉冲输出（0-10kHz）

后位设备

（ALTUSModel3300）

变送器接口（HC275）

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MicroMotion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、SolumBerger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RosemountMicroMotion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=（ωL）2.Qm

式中ω--U形管的振动角频率；Qm—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。

入口侧

振动流量管无流量测量示意图

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。

密度测量原理

固定端

出口

入口

密度测量

RosemountMicroMotion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

过程连接

Pickoffs

热电阻

（RTD）

过程连接

2）ELITE（CMF）系列传感器。

它有CMF025、050、100（以上

见图3-10）和CMF200和300（见图3-11）等型号，字母后面的数字也是测量管的

分流

尺寸（单位也是1/100英寸）。

它的测量范围，CMF200，约87t/h；CMF300，约272t/h。

其测量精度，流量为±0.1%满刻度，密度为±0.0005g/cc。

接线盒

MicroMotionE传感器

用于1/16”至10”管径液体流量精度±0.10%

气体流量精度±0.35%

液体密度精度±0.0005g/cc

标准的二次外壳耐压等级

MicroMotionF-Seriesmeters

液体质量精度：

0.2%

气体质量精度：

0.5%

液体密度精度：

±0.002g/cc传感器尺寸：

1/4–2英寸测量管材质：

316L不锈钢

MicroMotionR-Seriesmeters

液体质量精度：

0.50%

气体质量精度：

0.75%

传感器尺寸：

1/8–4英寸

测量管材质：

316L或304L不锈钢，或哈氏C合金

100公斤压力等级

MicroMotionT系列传感器（直管型流量计

液体流量精度：

+/-0.15%

液体流量精度重复性：

+/-0.05%

液体密度精度：

+/-0.002g/cc

测量管材质：

ASTM9级钛

温度范围：

-60to300F（-50to150?

C）

3.3.2变送器

变送器把来自传感器的低电平级信号，转换成4-20mA的标准直流信号，或1-10000HZ的频率信号。

4-20mA的直流信号可以被组态而传送一个流量信号或密度信号，频率信号只能是流量信号。

变送器的输出信号送往可选的显示器或其它终端

装置，进行流量的显示或控制。

下面，我们介绍我公司最常用的MicroMotion公司的二种变送器，9739变送器和1700变送器，前者是MicroMotion公司早期推出的产品，后者是最近几年推出的新产品，以下分别介绍这二种变送器。

1）9739变送器

9739变送器是以微处理器为基础的质量流量变送器，可与MicroMotion公司生产的D系列与ELITE系列传感器相配合，形成一个质量流量测量系统。

该变送器除了产生直流电流和频率的模拟信号以外，还产生表示质量流量、质量流量总量、密

度和温度的数字信号。

数字信号可以从Rosemount286型SMARTFAMILY智能系列接口或一个HART兼容控制系统中读取。

系统选择RS-485作为数字通信工具。

图3-13是变送器信号处理的流程图。

输入电路测量来自传感器上的左、右速度检测器的信号（图3-14），输入数据经数字滤波以便降低噪音，并提高测量的分辨

率。

然后，利用流量校正系统和检测到的温度，把输入数据转换成流量的数据。

驱动电路产生一个使测量管振动的振荡电压，振荡频率即传感器的自然频率。

因此，工艺流体的密度可以根据测出的传感器自然频率来计算。

温度放大器把装在传感器的铂电阻温度装置（RTD）的电阻转化为线形电压（即5mv/℃），以便用于计算数字化、传感器的温度补偿和密度监测系统（DMS）的输出。

温度补偿的分辨率是0.1℃，温度范围为-240至450℃（-400到842℉）。

在简单地加入一个正确的校正系数之后，变送器就很容易和本公司的另一种传感器匹配使用。

右检测、

（RPO

右放大器

驱动放大放大器

频率输出

驱动线圈

栅全安质本

左检测、

（LPO）

热电阻

自动增益控制

左放大器

ΔT检测器

流量处理器）

模似输出

控制输出

RTD

温度放大器

质量流量的测量

数字输出

输出侧

（C1）

时间

传感器信号,无流量

时间

传感器信号,有流量

输出侧

（C2）

另外，MicroMotion公司的变送器通过9芯电缆和传感器相连，9芯电缆用

9种不同的颜色组成，变送器的接线端子上也有和电缆相同的色标，所以很容

易连接起来，（如图）变送器和传感器的最大电缆连接长度不能超过300米，否则则要对仪表的正常测量造成影响。

（9）WHTLPO（-）

（7）VIOTEMP（+）

（5）GRNLPO（+）

（3）ORNTEMP（-）

（1）BRNDRIVE（+）

（1

MAPWROUT（P）

SV（-）

SV（+）

PV（-）

PV（+）RETURNFREQ（+）（15）

VF（+）

IS

（1

（0）BLK

Sensor

Output

ZERO（+）（21）

CONTROL（22）

SIGNALGND（23）

（2）REDDRIVE（-）

（4）YELTEMPGND

（6）BLURPO（+）

（8）GRARPO（-）

Power

TEMPTUBEPERIOD（25）

485B

485AMASIGIN（S）

D和F系列传感器接线表和接线盒

Terminalnumber

1

2

3

4

5

6

7

8

9

MMI

wirecolor

Function

驱动+

驱动-

温度-

温度补偿）

左检测线圈+右检测线圈+温度+

右检测线圈-

左检测线圈-

变送器接线传感器线

一、屏幕显示说明

1700/2700操作指南

（一）功能键说明

SCROLL旋转键，按该键就可以查看不同的画面或参数

SELECT选择键，也就是确认键，按该键就表示选择的参数或功能有效

（二）显示变量说明

2700最多可以显示15个不同的变量，具体显示哪个变量是根据用户的需求可以选择的，现就用户常用的8个变量做介绍：

1、MassFlowRate—质量瞬时流量，单位可以根据用户的需求设置

2、MassTotal—质量累积量，单位是由瞬时流量的单位决定的，累积量是

可以清为零的，具体操作步骤：

通过按SCROLL键，使2700的显示屏幕显示的变量是MassTotal，然后按SELECT键，屏幕上就会显示RESET

（复位）键，按SELECT键，屏幕上就显示YES?

，再按SELECT键就将

MassTotal清为零了，按SCROLL键就会看到START（开始）键，按SELECT就开始累积，按SCROLL屏幕显示STOP（停止）键，按SELECT键后，累积量就不计数了，如按了STOP键后要使累积量再开始计数就必须再按

START键，否则累积量就停止累积，然后按SCROLL键屏幕上就会显示

EXIT（退出）键，按SELECT键就退回到屏幕正常显示画面了。

3、Massl—质量库存量，单位和MassTotal相同，这个量是不能清零的，它和MassTotal的区别就是Massl不能清零，而MassTotal是可以清零的。

4、VolumeFlowRate—体积瞬时流量，单位可以根据用户的需求设置。

5、Volumetotal—体积累积量，单位是由瞬时流量的单位决定的，累积量是可以清零的，具体操作步骤：

通过按SCROLL键，使2700的显示屏显示的变量为VolTotal然后按SELECT键，屏幕上就会显示RESET（复位）键，按SELECT键，屏幕上就显示YES?

再按SELECT键就将VOLTotal清为零了，按SCROLL键就会看到START（开始）键，按SELECT就开始累积，按SCROLL屏幕显示STOP（停止）键，按SELECT键后，累积量就不计数了，如按了STOP键后要使累积量再开始计数就必须再按

START键，否则累积量就停止累积，然后按SCROLL键屏幕上就会显示

EXIT（退出）键，按SELECT键就退回到屏幕正常显示画面了。

6、LVOLl这是体积库存量，单位和VolumeTotal相同，这个量是不能清零的，它和VolumeTotal的区别就是LVOLl不能清零，而VolumeTotal是可以清零的。

7、Temp—温度，单位可以根据用户的需求设置。

8、Dens—密度，单位可以根据用户需求设置。

按SCROLL键就可以查看上述的变量，也可以设置为自动循环显示，即隔某

段时间就会显示下一个变量，一直循环。

（需要通过Hart275或ProlinkⅡ软件设置）累积量清零的步骤用方框图表示如下：

先用SCROLL键将显示画面翻到质量累积量或体积累积量的前面

OFFLINEZEROZEROYES？

如果有报警信息，屏幕就会显示A5或其他代码，在说明书的后面附录就会查到个代码对应的信息。

四、组态

在显示屏幕上可以完成下面的参数设置：

（一）设置变量的单位

SCROLLSCROLL+SELECT>4秒SEEALARMOFF-LINEMAINT

SELECT

0000CODE

输入密码SELECT

OFFLINESIM

SCROLLSCROLL

OFFLINEZERO

SELECT

SELECT

SELECT

OFFLINECONFIGCONFIGUNITSUNITMASSKg/h

SELECTSELECTSELECT

按SCROLL至UNITSEXIT按SCROLL至CONFIGEXIT

SELECSELECT

按SCROLL至OFFLINEEXIT按SCROLL至EXIT正常画面

体积单位，密度单位，温度单位的设置步骤和质量单位的设置步骤相同！

（二）设置输出变量和量程范围

1、4-20输出的设置

SCROLLSELECT

SCROLL+SELECT>4秒SEEALARMOFFLINEMAINT

输入密码

0000CODE?

OFFLINESIM

SCROLL

OFFLINEZERO

SCROLL

OFFLINECONFIG

SELECT

CONFIGMA01

SELECT

SrCMA01

SELECT

SELECT

SCROLL

SELECT输入4mA对应的值

Mflow或VflowSrCMA014MA01

SELECT+SCROLL

SCROLL

SELECT+SCROLL

4MA0120MA01输入20mA对应的值

SCROLLSELECT

20MA01EXITCONFIGMA01按SCROLL至CONFIGEXIT

SELECT

OFFLINECONFIG

SELECT

按SCROLL至OFFLINEEXITOFFLINEMAINT

SCROLL

EXIT

SELECT

正常显示画面

2、频率输出的设置

SCROLLSELECT

SCROLL+SELECT>4秒SEEALARMOFFLINEMAINT

输入密码SELECT

0000CODE?

OFFLINESIM

SCROLL

SCROLL

OFFLINEZERO

OFFLINECONFIG

SEL