馬鳳寶，董笑飛，王曉波 （大慶石化建設公司，黑龍江 大慶 163714）

化工車間科里奧利質(zhì)量流量計的原理及其應用

馬鳳寶，董笑飛，王曉波 （大慶石化建設公司，黑龍江 大慶 163714）

科里奧利質(zhì)量流量計稱得上是真正意義上的質(zhì)量流量測量，具備一系列工程應用優(yōu)點，已經(jīng)成為工業(yè)控制及節(jié)能管理領域較多使用的流量儀表，廣泛應用于石化、制藥及其他工業(yè)領域。本文從化工車間科里奧利質(zhì)量流量計的原理和結(jié)構(gòu)入手，總結(jié)了一些安裝使用上的注意事項和使用方法，對其選用及安裝進行說明，最后簡單闡述了科里奧利質(zhì)量流量計在化工車間的投運及常見故障的處理方法。

科里奧利力；質(zhì)量流量計；工作原理；應用

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

1 引言

在工業(yè)生產(chǎn)當中，流量參數(shù)極其重要。目前，流量計的種類各式各樣，其中較為常見的是體積流量計，如節(jié)流式流量計、電磁流量計、渦輪流量計、超聲流量計等[1]。由于在實際生產(chǎn)過程中，工程師對于經(jīng)濟核算、物料平衡等工程因素更加關心，所以體積流量計的應用有所限制，如何測試流體的質(zhì)量成為了實際應用中的一個難題。盡管有人能夠利用體積流量計及流體密度計算出測試流體的質(zhì)量，但由于此方法結(jié)構(gòu)過于復雜，測量精度受外在溫度、壓力等影響較大。因此，工程技術人員迫切希望能夠開發(fā)出一種能直接測量管道中流體的質(zhì)量流量的新型流量計。科里奧利質(zhì)量流量計（Coriolis Mass Flowmeter，CMF），即科氏力質(zhì)量流量計，可以直接測量流體質(zhì)量流量，并且精準度極高，誕生于美國， 并且起初由美國艾默生公司旗下著名品牌Micro Motion于八十年代將其技術完善成熟、商品化并推向市場。科氏力質(zhì)量流量計不僅能夠高精度測量腐蝕性介質(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，可以說科氏質(zhì)量流量計是測量技術的一個里程碑， 具有劃時代意義，它實現(xiàn)了工程師直接測量質(zhì)量流量的愿望，同時達到了需要的精度。自其問世后，一直深受行業(yè)熱捧。

2 工作原理

科里奧利質(zhì)量流量計是基于科里奧利（Coriolis）效應而制成的流量測量儀表。在旋轉(zhuǎn)體系中進行直線運動的質(zhì)點，由于慣性，會按照原有運動方向一直運動，然而體系本身將始終保持旋轉(zhuǎn)，所以，經(jīng)過一段時間的旋轉(zhuǎn)后，旋轉(zhuǎn)體系中質(zhì)點的位置將發(fā)生一些變化，這時，若從旋轉(zhuǎn)體系的視角來觀察，旋轉(zhuǎn)體系原來的轉(zhuǎn)向會發(fā)生輕微偏離。如果體系內(nèi)的質(zhì)點相對于慣性系為直線運動，那么其旋轉(zhuǎn)路徑相對于體系而言，可以看為曲線。從旋轉(zhuǎn)體系的角度出發(fā)，必須存在一個力，在這個力的作用下，質(zhì)點發(fā)生運動，該力即為科里奧利力（科氏力）。

科里奧利力的計算公式如下：

科里奧利質(zhì)量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉(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)量流量儀表。兩根U形管（也可以是一根）在驅(qū)動線圈的作用下，以一定頻率震動，被測流體從U形管流動，其流動方向與震動方向垂直，在科氏力的作用下，U型管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角θ，因此U型管兩管端通過振動中心就產(chǎn)生了時間差，此時間與質(zhì)量流量qm成正比，其關系式如下：

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

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

圖1 U型管科里奧利質(zhì)量流量計的基本結(jié)構(gòu)

流量計的測量管是兩根平行的U型管，驅(qū)動U型管垂直于管道教運動的驅(qū)動器是由激振線圈和永久磁鐵組成。位于U型管的兩個直管管端的兩個檢測器用于監(jiān)控驅(qū)動器的振動情況和檢測管端的位移情況，檢測出兩個振動管之間的振動時間差，以便通過轉(zhuǎn)換器給出流經(jīng)傳感器的質(zhì)量流量。

3 科里奧利質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)特性

在流體質(zhì)量流量測試過程中，某個流體質(zhì)點產(chǎn)生的科氏力極其微小，因此要保證測量過程的高精度并不容易，因此，增加測量系統(tǒng)對科氏力的感應或者在同樣科氏力的作用下增大測量系統(tǒng)的感應強度能夠使測量系統(tǒng)產(chǎn)生精確識別可用的信號。因此，改善科氏力在測試系統(tǒng)管路上的作用強度是一個有效手段。改善測試系統(tǒng)管路上科氏力的作用強度的有效方法在于改善測試系統(tǒng)管路彈性，可以通過減小系統(tǒng)管路鋼性、選用彈性優(yōu)良的材料制造及準確確定測試系統(tǒng)振蕩頻率，進而達到將測試系統(tǒng)管路的形變增加的目的。根據(jù)經(jīng)驗，如果管上的科氏力越明顯，則系統(tǒng)彈性就應該越好，那么測量管的管壁就會更薄，長度也更長。在此理論基礎之上可知，該方法既增加了測試系統(tǒng)管路的變形量和信噪比又減小了外界信號的干擾。測試系統(tǒng)管路上所受應力應該避免集中，以盡量減少材料的疲勞失效。測試系統(tǒng)管路所受應力作用的形式不同會對管路的整體測量靈敏度產(chǎn)生輕微影響[2]。

4 科里奧利質(zhì)量流量計的使用

4.1 科里奧利質(zhì)量流量計的選擇

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

準確度具體描述為流量百分比準確度、滿量程準確度和帶零穩(wěn)點穩(wěn)定度的準確度，具體包括三個主要參數(shù)：偏差、重復性、線性和回滯。不同的制造商往往以不同的標準給出準確度，對比數(shù)據(jù)時需要合理換算。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使得壓力損失值較大，鑒于靈敏度較高，相應的準確度就好。相反，低流量會使壓力損失降低，靈敏度低，準確度較差。所以，選擇的時候要全面分析，在保證較高的流量靈敏度和準確度前提下，降低壓力損失。量程能力也是整個過程中需要注意的因素。如果使用毫安輸出信號，則與其他儀表的選擇沒有任何差別[3]。

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

4.2 科里奧利質(zhì)量流量計的安裝

根據(jù)前面所述科氏流量計的理論基礎及結(jié)構(gòu)，該型流量計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定，在工廠安裝時需要核對。一旦變送器更換，則需要重新配套標定。

（2）傳感器及變送器需要盡量遠離電磁信號干擾，如廠區(qū)內(nèi)電動機、繼電保護器等電磁裝置。

（3）測試系統(tǒng)管路內(nèi)應盡量保證充滿被測介質(zhì)。被測介質(zhì)不同，安裝方式也會變化。

（4）安裝過程中，務必保證傳感器與系統(tǒng)管路同軸對準安裝，原則上應該盡量做到軸向和徑向無應力安裝。

（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)、可靠地通過振管。

4.3 科里奧利質(zhì)量流量計的投運

4.3.1 投用前的檢查

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

4.3.2 調(diào)整零點

（1）記錄原來零點校準系數(shù)；

（2）通過功能菜單啟動零點校正，等待校正完成；

（3）記錄新的零點校準系數(shù)。

在調(diào)整零點前要注意以下幾點：

給變送器通電，使它預熱至少30分鐘，確保變送器處于允許流量計調(diào)整的安全模式；雖然質(zhì)量流量計測量的是流體的質(zhì)量流量，實際溫度對質(zhì)量沒有影響，但會影響儀表零點的穩(wěn)定性，因此鑰匙的傳感器溫度值接近正常的過程運行溫度，才能調(diào)零；保證傳感器滿管，關閉在流量計下游的截止閥，使流過傳感器的流量為零，然后才能調(diào)零。調(diào)零過程中必須保證流過傳感器的流體完全不流動。

4.3.3 投運

（1）打開流量計前后閥門，關閉旁路閥門，使儀表投入運行；

（2）儀表投運后，各可調(diào)部分不得隨意改變。

4.4 常見故障及處理方法

（1）轉(zhuǎn)換器無顯示：檢查電源及電源保險絲是否燒斷；

（2）零位漂移：檢查閥門是否泄漏，流量計的標定系數(shù)是否準確，阻尼是否過低，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，安裝是否有應力，是否有電磁干擾。

（3）顯示和輸出值波動：檢查阻尼是否太??；驅(qū)動放大器是否穩(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；檢查流量計組態(tài)是測量質(zhì)量流量還是測量體積流量；密度標定系數(shù)是否正確；流量計所顯示的被測介質(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；是否振動干擾；是否為團狀流；

（6）流量計有電源，無輸出：用萬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

科氏質(zhì)量流量計應用廣泛、技術先進， 在工業(yè)生產(chǎn)中的應用對強化控制、加強計量管理和節(jié)能降耗起著越來越重要的作用。但科氏質(zhì)量流量計技術含量高，故市場價格也較貴，所以在工程實際當中就要求工程技術人員在選擇及使用科氏質(zhì)量流量計時要綜合考慮工程的實際需要及經(jīng)費預算等方面，一旦選擇不妥，不僅得不到滿意的測量精度，還有可能無法進行工程測量。特別地，對于那些測量精度要求不嚴格，沒有其他特殊情況時，最好不要任意使用科氏質(zhì)量流量計。總之，我們需要根據(jù)各方面條件進行權衡，在此基礎上合理選用科氏質(zhì)量流量計 ，使其發(fā)揮應有地工程實際意義。

[1] 胡子伯. 科里奧利質(zhì)量流量計的應用及性能評價[J]. 計量與測試技術, 2001 (4) : 9 - 10.

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

[3] 張寶芬. 自動檢測技術及儀表控制系統(tǒng)[M]. 北京: 化學工業(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，中級工程師，本科，畢業(yè)于哈爾濱工程大學，現(xiàn)就職于大慶石化建設公司，主要從事自動化儀表、自動控制方面的研究。

B

1003-0492(2014)02-0070-03

TB663

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

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