羅斯蒙特質量流量計測量原理及應用

前言

羅斯蒙特質量流量計廣泛應用于石化等領域，是當今世界上最先進的流量測量儀表之一，在我廠主要產品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠，精度高達1.7‰，為我廠的能源、物料的流量測量提高了準確度，避免了不必要的損失，創造了可觀的經濟效益。

質量流量測量原理

一臺質量流量計的計量系統包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。Rosemount質量流量計依據牛頓第二定律：力=質量×加速度（F=ma）

如圖1所示，當質量為m的質點以速度V在對P軸作角速度ω旋轉的管道內移動時，質點受兩個分量的加速度及其力：

（1）法向加速度，即向心加速度α_r，其量值等于2ωr，朝向P軸；

（2）切向角速度α_t，即科里奧利加速度，其值等于2ωV，方向與α_r垂直。由于復合運動，在質點的α_t方向上作用著科里奧利力F_c=2ωVm，管道對質點作用著一個反向力-F_c=-2ωVm。

當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恒定速度V流動時，任何一段長度Δx的管道將受到一個切向科里奧利力ΔF_c：

ΔF_c=2ωVρAΔx （1）

式中，A—管道的流通截面積。

由于存在關系式：mq=ρVA

所以：ΔF_c =2ωqmΔx （2）

因此，直接或間接測量在旋轉管中流動流體的科里奧利力就可以測得質量流量。

傳感器內是U型流量管（圖2），在沒有流體流經流量管時，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅動線圈驅動，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz，流體流入流量管時被強制接受流量管的上下垂直運動。在流量管向上振動的半個周期內，流體反抗管子向上運動而對流量管施加一個向下的力；反之，流出流量管的流體對流量管施加一個向上的力以反抗管子向下運動而使其垂直動量減少。這便導致流量管產生扭曲，在振動的另外半個周期，流量管向下振動，扭曲方向則相反，這一扭曲現象被稱之為科里奧利(Coriolis)現象，即科氏力。

根據牛頓第二定律，流量管扭曲量的大小完全與流經流量管的質量流量大小成正比，安裝于流量管兩側的電磁信號檢測器用于檢測流量管的振動。當沒有流體流過流量管時，流量管不產生扭曲，兩側電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的（圖3）；當有流體流經流量管時，流量管產生扭曲，從而導致兩個檢測信號產生相位差（圖4），這一相位差的大小直接正比于流經流量管的質量流量。

由于這種質量流量計主要依靠流量管的振動來進行流量測量，流量管的振動，以及流過管道的流體的沖力產生了科氏力，致使每個流管產生扭轉，扭轉量與振動周期內流過流管的質量流速成正比。由于一個流管的扭曲滯后于另一流管的扭曲，質量管上的傳感器輸出信號可通過電路比較，來確定扭曲量，見圖5。

電路中由時間差檢測器測量左右檢測信號之間的滯后時間。這個“時間差”ΔT經過數字量測量、處理、濾波以減少噪聲，提高測量分辨率。時間差乘上流量標定系數來表示質量流量。由于溫度影響流管鋼性，科氏力產生的扭曲量也將受溫度影響。被測量的流量不斷由變送器調整，后者隨時檢測粘在流管外表上的鉑電阻溫度計輸出。變送器用一個三相的電阻溫度計電橋放大電路來測量傳感器溫度，放大器的輸出電壓轉化成頻率，并由計數器數字化后讀入微處理器。

密度測量原理

流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結構可看做一重物懸掛在彈簧上構成的重物/彈簧系統，一旦被施以一運動，這一重物/彈簧系統將在它的諧振頻率上振動，這一諧振頻率與重物的質量有關。質量流量計的流量管是通過驅動線圈和反饋電路在它的諧振頻率上振動，振動管的諧振頻率與振動管的結構、材料及質量有關。振動管的質量由兩部分組成：振動管本身的質量和振動管中介質的質量。每一臺傳感器生產好后振動管本身的質量就確定了，振動管中介質的質量是介質密度與振動管體積的乘積，而振動管的體積對每種口徑的傳感器來說是固定的，因此振動頻率直接與密度有相應的關系，那么，對于確定結構和材料的傳感器，介質的密度可以通過測量流量管的諧振頻率獲得。

　　利用流量測量的一對信號檢測器可獲得代表諧振頻率的信號，一個溫度傳感器的信號用于補償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化，振動周期的測量是通過測量流量管的振動周期和溫度獲得，介質密度的測量利用了密度與流量管振動周期的線性關系及標準的校定常數，見圖6。

科氏質量流量傳感器振動管測量密度時，管道鋼性、幾何結構和流過流體質量共同決定了管道裝置的固有頻率，因而由測量的管道頻率可推出流體密度。變送器用一個高頻時鐘來測量振動周期的時間，測量值經數字濾波，對于由操作溫度導致管道鋼性變化，進而引起固有頻率的變化進行補償后，用傳感器密度標定系數來計算過程流體密度，見圖7。

四、信號特性

羅斯蒙特公司的變送器為模塊化并帶有微處理器功能，配合ASICS數字技術，可選擇數字通信協議。它與傳感器連接使用可獲得高精確度的質量流量、密度、溫度和體積流量信號，并將獲得的信號轉換為模擬量、頻率等輸出信號，還可使用275型HART協議通信手操器或AMS、Prolink軟件對其組態、檢查及通信。

五、 SP數字信號處理器特性

DSP數字信號處理器是一個實時處理信號的微處理器，在科里奧利流量計里，我們使測量管在一個已知的頻率下振動，因此任何在此振動頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準確地確定質量流量。例如，一個50Hz或60Hz的信號很可能來源于與附近動力線的耦合。如何在實際上“過濾”這些多余的信號則需要一些更多的在那時刻所得到的背景信息，圖8表明了噪聲如何出現在原轉換器信號上，以及被過濾后的最終信號。

與使用時間常量去阻抑和穩定信號相比，使用數字信號處理（DSP）技術的主要好處之一，是能夠以一個被提高了的采樣率去過濾實時信號，減少了流量計對流量的階躍變化的響應時間。使用多參數數字（MVD）變送器的響應時間比使用模擬信號處理的傳統變送器快2~4倍，更快的響應時間會提高短批量控制的效率和精確度。

DSP技術另一個頗有價值且更富有挑戰性的應用實例是氣體測量，因為高速氣體通過流量計會引起較嚴重的噪聲。通過高準Elite系列傳感器，與流量信號混雜的噪聲被減至最小。現在DSP技術能更好地濾波，并進一步減小了質量流量計對噪聲的敏感度。采用MVD變送器測量氣體的結果在重復性和精確度上都有了顯著提高。

DSP技術提供了一個“通往處理的窗戶”，當瀏覽這個窗戶時，首先集中在測量管振動頻率附近的信號上。實際上，有意地拋棄了其余的信息，很可能正是隱藏在這些“無用的”數據里的信息會鋪平通往新的診斷技術的道路。例如，頻譜分析可能會引導我們取得在夾雜空氣或團狀流動流體測量上的進展，流體在測量管內壁的附著也是另一個有希望被DSP技術檢測到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預測傳感器的故障。

六、測量環境的影響

1、流體壓力的影響　　

首先考慮流體壓力不應超過規定工作壓力，其次考慮靜壓變化影響的程度。壓力變化影響測量管繃緊程度和布登效應的程度，以及破壞測量管不對稱的原零點偏置。雖然儀表常數變動和零漂很小，但是使用壓力時和校準時相差甚大時，對于高精確度儀表影響值還是不能忽視的。小口徑儀表壁厚管徑比大，影響小；大口徑儀表壁厚管徑比小。

2、流體密度影響　　

流體密度變化改變流量測量系統的質量，從而使流量傳感器的平衡發生變化，導致零點偏移。如果測量某一特定液體，只要在實際使用的液體密度條件下調零，使用過程中的密度變化不大，一般不存在問題。但在一根管道上測量密度差別較大的幾種液體時，會帶來零點變動的附加誤差。

3、流體粘度影響

羅斯蒙特公司的科氏力質量流量計CMF可測量液體粘度的范圍很寬，并呈現良好的測量性能。雖有報告論及粘度影響測量精確度，但很少有試驗數據。液體粘度會改變系統的阻尼特性，從而影響零偏置；在低流量時對流量測量值有一定程度的影響。

4、雙相流體中異相含量影響

制造廠常稱含有百分幾體積比游離氣體影響測量不大。當測量氣泡小而分布均勻的液體，如冰淇淋和相似乳化液，影響可能是相對的。含氣泡1%時有些型號無明顯影響，有些型號誤差為1%～2%，其中一臺雙管直管式則高達10%～15%；含氣泡10%時，誤差普遍增加到15%～20%，個別型號高達80%。此外流體的壓力、流速、粘度和氣液混合方式的差異，所帶來的影響也不一樣。測量含有少量固體的液體時，各類型CMF都有較高的信賴度。當固體含量較多或固體具有強磨蝕性或軟固體（如食品湯汁中的蔬菜塊），應選用單管直管型或串聯雙管型。因為如用并聯雙管型，分流器上有可能粘附異物或磨損導致改變兩路分流量，產生誤差；更為嚴重者如一路堵塞可能不被立即發現。

5、 環境振動影響　　

CMF可以在振動環境下工作，但必須與振動隔離，例如與振動管間用柔性管連接和采用隔離振動的支撐架。但更應預防振動頻率與CMF的工作頻率或諧波頻率相同。同一型號多臺儀表串接安裝或較接近地平行安裝，尤其是裝在同一支撐臺架上，各CMF間工作頻率振動會相互影響，引起異常振動，嚴重時會使儀表無法工作。在訂購時可專門向制造廠提出，錯開兩串聯CMF的工作頻率。

6、 管道應力影響　　

若連接流量傳感器管道中心未對準（或不平行）或管道溫度改變，管道應力會形成壓力、拉力、或剪切力作用到CMF測量管間的對準，引起檢測探頭的不對稱性，導致零點變動。CMF安裝好后必須調零以消除或減小這一影響。若管道嚴重未對準，有可能無法調至零位。管道溫度偏離安裝時溫度，管道產生的熱膨脹（或收縮）力亦將作用到流量傳感器。有些CMF設計在測量管進出口各有一個很重的分流器，可減小管道應力對測量管的影響。直形測量管CMF特別易受熱膨脹力的影響，必要時可在管道裝熱膨脹隔離管件。

七、實際應用

1、異相流應用

CMF在我廠主要產品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠，但如果使用不當可導致計量超差甚至中斷計量。

在原料輕烴的測量中，由于輕烴介質中組分復雜，即含有固體顆粒，又含有氣泡，屬典型的異相流體，使用過程中經常出現故障，變送器顯示的故障信息是SensorError、 Dens Overrng、Slugflow即傳感器出錯、密度超限、團狀流，流量計中斷計量，為了解決此問題，我們在流量計入口安裝了過濾器，用來過濾固體顆粒，又將流量計出口閥門開度限位，以此提高入口壓力，用來減少輕烴介質中的氣泡含量，采取以上措施后流量計投用正常。

2、故障信息及處理

變送器出現DriveOverrng或InputOverrange即變送器中產生錯誤輸出，流速超出傳感器量程，檢查在變送器和傳感器中紅色電纜到棕色電纜之間是否開路或短路即傳感器驅動線圈開路或短路；檢查變送器和傳感器中綠色電纜到白色電纜之間開路或短路，即傳感器左檢測線圈開路或短路。

變送器出現SensorError即電纜有問題，檢查變送器和傳感器中藍色電纜到灰色電纜之間開路或短路，即傳感器檢測線圈開路或短路。

變送器出現PowerReset表示電源故障、燈光暗淡或電力循環已中斷了變送器工作，檢查電源系統是否正常。

變送器出現ZeroTooHigh或ZeroTooLow表示在傳感器調零期間流體沒有完全終止流動，導致變送器計算出來的零點流量偏移太大而不能進行精確的流量測量，在調零時必須使流體完全終止流動。

八、結論

質量流量計是一個較為準確、快速、可靠、高效、穩定、靈活的流量測量儀表，在石油加工、化工等領域將得到更加廣泛的應用，相信將在推動流量測量上顯示出巨大的潛力。

參考文獻

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The Measuring Principle of Coriolis Mass Flowmeter of ROSEMOUNT and Application

Abstract:The essay introduces the principle of the ROSEMOUNT mass flowmeter’s sensor and transmeter, detailedly introduces the measure principle of the mass and density. The signal character of the transmeter, the character of the DSP and application

Keywords: Coriolis; mass flowmeter ; sensor; HART agreement ; DSP

作者簡介

高志強，大慶石化公司化工一廠工程師。

通訊地址：大慶石化公司化工一廠儀表車間(163714)

電話0459-6761837，0459-6256969

E-mail:dqgzq@163.com

王洵，大慶中石油國際事業公司工作，工程師

袁利劍、嚴偉、南英淑：大慶石化公司工程師。

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