董　帥, 侯其立, 徐科軍,2, 石　巖 , 陶波波, 劉　錚

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院, 安徽 合肥　230009；2. 工業(yè)自動化安徽省工程技術(shù)研究中心, 安徽 合肥　230009)

?

科氏質(zhì)量流量計多參數(shù)測量實驗裝置設(shè)計

董帥1, 侯其立1, 徐科軍1,2, 石巖1, 陶波波1, 劉錚1

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院, 安徽 合肥230009；2. 工業(yè)自動化安徽省工程技術(shù)研究中心, 安徽 合肥230009)

為實現(xiàn)科氏質(zhì)量流量計的研究和應(yīng)用,設(shè)計了一套科氏質(zhì)量流量計多參數(shù)測量實驗裝置,重點介紹了該實驗裝置的結(jié)構(gòu)原理、關(guān)鍵部件選型和技術(shù)指標(biāo)。實際應(yīng)用表明,該實驗裝置設(shè)計合理、功能完善、測試準(zhǔn)確可靠,可以用來進(jìn)行單相流、氣液兩相流等實驗。

科氏質(zhì)量流量計； 實驗裝置; 單相流； 氣液兩相流； 多參數(shù)測量

科里奧利質(zhì)量流量計(以下簡稱科氏質(zhì)量流量計)可以直接測量流體的質(zhì)量流量,測量精度高，還能測量流體密度等參數(shù),具有廣闊的應(yīng)用前景[1]?？剖腺|(zhì)量流量計主要應(yīng)用于單相液體質(zhì)量流量的測量[2]。而工業(yè)應(yīng)用中,常遇到氣液兩相流的測量,如在食品加工和油料運(yùn)輸過程等,常用高壓壓縮空氣吹洗管道,氣體不可避免會混入液體當(dāng)中,導(dǎo)致氣液兩相流發(fā)生[3]。當(dāng)今,氣液兩相流測量是科氏質(zhì)量流量計所面臨的工業(yè)難題[4-14]。研究科氏質(zhì)量流量計單相和氣液兩相流測量需要大量的實驗數(shù)據(jù),因此,科氏質(zhì)量流量計實驗裝置的研制是解決科氏質(zhì)量流量計面臨的難題的前提。

本課題組設(shè)計了一套用于6 mm及以下口徑傳感器的氣液兩相流實驗裝置,該實驗裝置以愛默生6 mm三角形科氏質(zhì)量流量計為標(biāo)準(zhǔn)表。該實驗裝置目前已投入使用,是國內(nèi)高校第一臺科氏質(zhì)量流量計氣液兩相流實驗演示裝置[15]。

為了研究更大口徑科氏質(zhì)量流量計和獲得更多的科氏質(zhì)量流量計實驗數(shù)據(jù),本文設(shè)計了基于稱重法的科氏質(zhì)量流量計多參數(shù)測試實驗裝置(以下簡稱實驗裝置),該實驗裝置能夠?qū)?5 mm及以下口徑的科氏傳感器進(jìn)行單相水流量標(biāo)定實驗、氣液(空氣-水)兩相流實驗、液體加熱實驗和壓損實驗。

1　裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)科氏質(zhì)量流量計單相流和氣液兩相流實驗的需要,使用稱重裝置作為標(biāo)準(zhǔn)表,采用循環(huán)實驗的方案。裝置由水循環(huán)管路和加氣管路組成。水流量通過水循環(huán)管路流經(jīng)科氏傳感器,最后流入稱重裝置；氣體由加氣管路加入,通過氣液混合器混合,形成氣液兩相流。由于科氏質(zhì)量流量計測量精度還與科氏傳感器安裝方式有關(guān),本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)科氏傳感器的水平和垂直兩種安裝方式的切換。

如圖1所示,該實驗裝置主要由PLC、水泵、空壓機(jī)、氣體羅茨流量計、氣體玻璃浮子流量計、液體渦輪流量計、稱重裝置(含電子秤和稱重水箱)、換向器、溫控器、穩(wěn)壓罐、溫度計、差壓計、密度計、水箱及氣動球閥等組成。水循環(huán)管路中安裝一個旁路式穩(wěn)壓罐,可以減小水流動的脈動。在科氏傳感器的下游安裝一個透明模型,用于觀察氣液兩相流混合的均勻程度。氣體是由空壓機(jī)產(chǎn)生,并利用氣體羅茨流量計或氣體玻璃浮子流量計測量其體積流量。累積的水質(zhì)量流量由稱重裝置測量。

整個實驗裝置通過WinCC監(jiān)控軟件對水泵、空壓機(jī)、氣動球閥及換向器等進(jìn)行控制,并對質(zhì)量流量計、氣體羅茨流量計、液體渦輪流量計、電子秤、溫度計、差壓計及密度計的信號進(jìn)行采集和處理,實現(xiàn)自動標(biāo)定和數(shù)據(jù)記錄。

圖1　實驗裝置結(jié)構(gòu)

該實驗裝置具有單向水標(biāo)定實驗、氣液兩相流實驗、液體加熱實驗和壓損實驗的功能,各項實驗工作原理如下:

(1) 單相水標(biāo)定實驗。單相水標(biāo)定實驗分為單相水動態(tài)標(biāo)定實驗(即動態(tài)質(zhì)量法)和單相水靜態(tài)標(biāo)定實驗(即靜態(tài)質(zhì)量法)。

① 單相水動態(tài)標(biāo)定實驗。通過換向器的切換,測量一段時間內(nèi)流過被測科氏質(zhì)量流量計的累積流量,與標(biāo)準(zhǔn)稱量值對比而得出測量誤差。具體操作：換向器切換至1路,水通過水循環(huán)管路流經(jīng)科氏傳感器,經(jīng)過1路流入水箱,通過手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大??；開始實驗,換向器切換至2路,稱重裝置凈重值清零,與此同時,PLC開始采集被測科氏質(zhì)量流量計流量脈沖；實驗結(jié)束,換向器切換回1路,PLC停止采集被測科氏質(zhì)量流量計流量脈沖,待稱重裝置穩(wěn)定后,PLC采集稱重裝置凈重值。這樣,通過比較科氏質(zhì)量流量計測量值與稱重裝置測量值,即可得到科氏質(zhì)量流量計單相水動態(tài)標(biāo)定實驗誤差。

② 單相水靜態(tài)標(biāo)定實驗。通過氣動閥1的啟停,測量一段時間內(nèi)流過被測科氏質(zhì)量流量計的累積流量,與標(biāo)準(zhǔn)稱量值對比而得出測量誤差。具體操作：換向器切換至1路,水通過水循環(huán)管路流經(jīng)科氏傳感器,經(jīng)過1路流入水箱,通過手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大小,氣動閥1關(guān)閉,換向器切換至2路；開始實驗,氣動閥1打開,稱重裝置凈重值清零,與此同時,PLC開始采集被測科氏質(zhì)量流量計輸出的流量脈沖；實驗結(jié)束,氣動閥1關(guān)閉,待稱重裝置穩(wěn)定后,PLC采集稱重裝置凈重值。通過比較科氏質(zhì)量流量計測量值與稱重裝置測量值,即可得到科氏質(zhì)量流量計單相水靜態(tài)標(biāo)定實驗誤差。

(2) 氣液兩相流實驗。在水中均勻混合一定比例的空氣,測量一段時間內(nèi)流過被測科氏質(zhì)量流量計的混合流體的累積流量,與標(biāo)準(zhǔn)稱量值對比而得出測量誤差。具體操作：換向器切換至1路,通過手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大小,根據(jù)儀表球閥2或儀表球閥3調(diào)節(jié)氣體流量大小,水和氣體經(jīng)氣液混合器混合后形成氣液兩相流,流經(jīng)科氏傳感器,經(jīng)過1路流入水箱；開始實驗,換向器切換至2路,稱重裝置凈重值清零,與此同時,PLC開始采集被測科氏質(zhì)量流量計流量脈沖；實驗結(jié)束,換向器切換回1路,PLC停止采集被測科氏質(zhì)量流量計流量脈沖,待稱重裝置穩(wěn)定后,PLC采集稱重裝置凈重值。通過比較科氏質(zhì)量流量計測量值與稱重裝置測量值,即可得到科氏質(zhì)量流量計氣液兩相流實驗誤差。

(3) 液體加熱實驗。通過溫控器控制加熱棒,可以將水溫度控制在室溫至60 ℃之間,即可在不同溫度下進(jìn)行單相水標(biāo)定實驗、氣液兩相流實驗等。

(4) 壓損實驗。通過手動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)水流量大小,進(jìn)行單相水標(biāo)定,PLC自動采集差壓變送器的壓力,再改變水流量大小進(jìn)行測量,這樣,便可以得到不同水流量下科氏傳感器的壓損數(shù)據(jù)。

2　關(guān)鍵部件選型或設(shè)計

為了達(dá)到設(shè)計的各項功能,對該實驗裝置中一些關(guān)鍵部件進(jìn)行了選型或設(shè)計,分別介紹如下。

(1) 電子秤。本實驗裝置是以電子秤為標(biāo)準(zhǔn)表而設(shè)計,WU150L-560電子秤最大量程為150 kg,分辨率為20 g,測量精度高,上位機(jī)可通過以太網(wǎng)對其進(jìn)行監(jiān)控,以其為標(biāo)準(zhǔn)表,能夠滿足設(shè)計要求。實際使用時,為驗證被測科氏質(zhì)量流量計的重復(fù)性,每個流量點需要重復(fù)實驗3次,因而每次實驗累積流量在30 kg左右,這樣3次實驗累積的流量在120 kg左右。

(2) 換向器。無論是單相水動態(tài)標(biāo)定實驗,還是氣液兩相流實驗,實驗開始和結(jié)束都是通過換向器換向來完成的,因此換向器切換速度和可靠性對實驗裝置的精度具有決定性影響。DHX-25型換向器結(jié)構(gòu)簡單,機(jī)械壽命長,操作方便,用光電脈沖信號轉(zhuǎn)換器精確控制計時,換向行程時間不超過100 ms,2個方向上行程時間差不大于20 ms,凡接觸液體介質(zhì)的部件全部用不銹鋼制作,因此,本裝置選擇該型號換向器。

(3) 水泵。本實驗裝置設(shè)計的最大流量為100 kg/min(6m3/h),因此,水泵的額定功率應(yīng)該大于6 m3/h。另外,水流量的穩(wěn)定性也會影響科氏質(zhì)量流量計的測量精度,因此水泵抽出的水流量脈動性要小。為此,選擇浙江利歐生產(chǎn)的LVS5型多級水泵,其具體參數(shù):最大揚(yáng)程為74 m，最大流量為8 m3/h，功率為2.2 kW。

在安裝過程中,要盡量減弱水泵的振動,以減小其對被測科氏質(zhì)量流量計的不良影響。

(4) 空壓機(jī)。空壓機(jī)需要產(chǎn)生足夠流量、足夠壓力的氣體,其一為氣動閥提供動力,其二為氣液兩相流實驗提供氣體,使氣液兩相流實驗時氣液混合比能達(dá)到35%。由于空壓機(jī)頻繁工作,需要其性能可靠、壽命長。所以選擇捷豹EV-51型空壓機(jī),其具體參數(shù):功率為1.5 kW，排氣量為0.21 m3/min，壓力為8×105Pa。

(5) 水箱。本實驗裝置采用循環(huán)實驗的方案,因此需要一個水箱實現(xiàn)水路的循環(huán)?？紤]到水的溫度對水流量標(biāo)定實驗裝置精度的影響[16],設(shè)計了長、寬、高分別為1.6 m、1.3 m、0.9 m的不銹鋼水箱,可以保證被測科氏質(zhì)量流量計在一次完整的水流量標(biāo)定實驗過程中水的溫度不發(fā)生明顯變化(一般能保持在2 ℃內(nèi)變化)。

(6) 氣液混合器。在氣液兩相流實驗中,氣液混合均勻程度會影響到氣液兩相流實驗結(jié)果[8],因而設(shè)計了一個氣液混合器,并安裝在被測科氏質(zhì)量流量計上游。水和空氣在氣液混合器中均勻混合后,再通過管道流入被測科氏傳感器中。

3　實驗裝置精度和指標(biāo)

在實驗裝置加工制造完成后,我們在實驗裝置上安裝愛默生25 mm口徑三角形科氏質(zhì)量流量計(0.1級精度),進(jìn)行各項實驗,以考核本裝置的精度和所達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)。經(jīng)過實際考核,該實驗裝置的精度和指標(biāo)見表1。實際考核表明,該裝置達(dá)到了設(shè)計的功能和指標(biāo),可以用于實際應(yīng)用。

表1　本裝置的精度和指標(biāo)

4　實際應(yīng)用

該實驗裝置主要功能是實現(xiàn)科氏質(zhì)量流量計單相水動態(tài)標(biāo)定實驗和氣液兩相流實驗,在該實驗裝置上安裝項目組研制的變送器,匹配國產(chǎn)的某25 mm口徑的科氏傳感器,進(jìn)行如下實驗。

(1) 單相水動態(tài)標(biāo)定實驗。按照科氏質(zhì)量流量計檢定規(guī)程JJG1038—2008[17-18],單相流情況下應(yīng)對被檢儀表在不同流量點下進(jìn)行標(biāo)定,檢定流量點依次為qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmax、qmin、qmax(qmax為最大流量，qmin為最小流量),每個流量點的每次實際檢定流量與設(shè)定流量的偏差不超過設(shè)定流量的±5%,每個流量點的檢定次數(shù)不少于3次。表2為單相水動態(tài)標(biāo)定實驗結(jié)果。

表2　單相水動態(tài)標(biāo)定實驗結(jié)果

由表2可見,流量從110～11 kg/min范圍內(nèi),我們研制的變送器的測量精度優(yōu)于0.1%,測量重復(fù)性優(yōu)于0.05%。

(2) 氣液兩相流實驗。在進(jìn)行氣液兩相流實驗時,需要采集不同水流量、不同含氣量下實驗誤差。因裝置上測量氣體的浮子流量計和羅茨流量計反應(yīng)不夠靈敏,在加氣量較小時無刻度顯示,且裝置中的壓力表不夠準(zhǔn)確,無法精確得到含氣量,但是根據(jù)被檢表算出的流體密度,可以間接反映加入氣體流量的多少。兩相流發(fā)生時,被檢表根據(jù)算出的信號頻率,得到混合物的密度,再結(jié)合單相液體密度值,即可計算出密度降。實際實驗過程中,是用密度降來間接反映含氣量。

氣液兩相流下,科氏質(zhì)量流量計測量誤差很大,為此在研制的變送器的程序中,加入了采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模得到的誤差修正模塊,實驗結(jié)果如圖2所示。

圖2　氣液兩相流測量誤差

實驗結(jié)果表明,該實驗裝置能實現(xiàn)氣液兩相流測量,在流量為35～95 kg/min范圍內(nèi),密度降從0～30%變化時,測量精度優(yōu)于5%。

5　結(jié)語

本文設(shè)計了一套基于稱重法的科氏質(zhì)量流量計多參數(shù)測量實驗裝置,該實驗裝置稱量一次實驗過程中的液體的累積質(zhì)量流量為標(biāo)準(zhǔn)值,與標(biāo)準(zhǔn)表法相比較具有更高的標(biāo)定精度。該實驗裝置具有測量多種參數(shù)功能,能夠進(jìn)行單相水標(biāo)定實驗、氣液兩相流實驗、液體加熱實驗和壓損實驗。該實驗裝置為科氏質(zhì)量流量計算法的研究及其應(yīng)用推廣打下了基礎(chǔ)。目前,該實驗裝置已經(jīng)在實驗室投入使用,并取得了良好的效果。

References)

[1] Anklin M,Drahm W,Rieder A. Coriolis mass flowmeters: Overview of the current state of the art and latest research [J]. Flow Measurement and Instrumentation,2006,17(6): 317-323.

[2] Reizner J R. Coriolis-the almost perfect flow meter [J]. IEE Computing & Control Engineering, 2003,14(4): 28-33.

[3] Gregory D,West M,Paton R,et al. Two-phase flow metering using a large coriolis mass flow meter applied to ship fuel bunkering[J]. Measurement and control,2008,41(7):208-212.

[4] Seeger M. Coriolis flow measurement in two phase flow[J]. IEE Computing & Control Engineering,2005,16(3):11-16.

[5] Reizner J R. Coriolis-the almost perfect flow meter[J]. IEE Computing & Control Engineering, 2003,14(4):28-33.

[6] Hemp J,Yeung H. Coriolis meters in two phase conditions[J]. IEE Computing & Control Engineering,2003,14(4):36.

[7] Liu R P,Fuent M J, Henry M P,et al. A neural network to correct mass flow errors caused by two-phase flow in a digital Coriolis mass flowmeter[J]. Flow Measurement and Instrumentation,2001,12(1):53-63.

[8] Henry M P,Tombs M,Duta M D,et al. Two-phase flow metering of heavy oil using a Coriolis mass flow meter: A case study[J]. Flow Measurement and Instrumentation,2006,17(6): 399-413.

[9] Henry M P,Fuent M J. Correcting for two-phase flow in a digital flowmeter:U S,US6505 519B2[P].2003.

[10] Wu D,Wang C. Measurement of oil content in oil-water two-phase flow using Coriolis flow meter[C]//Computer Application and System Modeling (ICCASM).2010 International Conference on IEEE,2010: V5336-V5339.

[11] Lari V A,Shabaninia F. Error correction of a Coriolis mass flow meter in two-phase flow measurment using Neuro-Fuzzy[C]//Artificial Intelligence and Signal Processing(AISP). 2012 16th CSI International Symposium on IEEE,2012: 611-616.

[12] Hou Q L,Xu K J. Gas-Liquid Two-Phase Flow Correction Method for Digital CMF [J]. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,2014,63(10): 2396-2404.

[13] 侯其立,徐科軍,李葉,等.用于微彎型科氏質(zhì)量流量計的數(shù)字變送器研制[J]. 電子測量與儀器學(xué)報,2011,25(6):540-545.

[14] 陶波波,侯其立,石巖,等.科氏質(zhì)量流量計測量含氣液體流量的方法與實現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報,2014,35(8):1796-1802.

[15] 李苗,徐科軍,侯其立,等.科氏質(zhì)量流量計氣液兩相流實驗裝置設(shè)計[J]. 實驗技術(shù)與管理,2012,29(3):75-79.

[16] 楊煥彩.基于LabVIEW的流量計標(biāo)定系統(tǒng)研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學(xué),2009:5-18.

[17] 中國計量科學(xué)研究院.JJG164—2000液體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置國家計量檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社,2000.

[18] 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.JJG1038—2008科里奧利質(zhì)量流量計檢定規(guī)程[S].北京:中國計量出版社,2008.

Design of a multi-parameter measuring experimental device for Coriolismass flowmeter

Dong Shuai1, Hou Qili1, Xu Kejun1,2, Shi Yan1, Tao Bobo1, Liu Zheng1

(1. School of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China;2. Engineering Technology Research Center of Industrial Automation of Anhui Province, Hefei 230009, China)

In order to realize the research and application of Coriolis mass flowmeter,the multi-parameter measuring experimental device for Coriolis mass flowmeter is designed. The structure and principle of the experimental device,the selection of key parts and technical indicators are highlighted. The applications prove that this device has reasonable design,perfect performance and accurate measurement ability. It can be used to realize the experiments of single phase flow and gas-liquid two-phase flow.

Coriolis mass flowmeter; experimental device; single phase flow；gas-liquid two-phase flow；multi-parameter measuring

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.024

2015- 06- 03修改日期：2015- 07- 15

2014年安徽省省級質(zhì)量工程項目(2014gxk003)資助

董帥(1988—)，男，安徽六安，碩士研究生，主要研究方向為自動檢測技術(shù)

E-mail：dong_hfut@foxmail.com

徐科軍(1956—)，男，江蘇無錫，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為傳感器技術(shù)、自動化儀表和數(shù)字信號處理.

E-mail：dsplab@hfut.edu.cn

TH814;G484

A

1002-4956(2016)1- 0096- 04