质量流量计工作原理

1、质量流量计工作原理二I （未知）2007-11-8 21:13:00科里奥利质量流量计（以下简称CMF）是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接测量质量流量的仪表。20世纪70年代后期商品化实用性 CMF由美国Micro Motion公司首先推向市场，到 80年代中 后期各国仪表厂相继开发。迄 1995年，世界已有40家以上推出各种结构的 CMF ,世界范围装用量 估计在18万20万台之间。1995年世界年销售量估计在 4万4.5万台之间。在我国CMF应用起步较晚，从80年代中期引进成套装置附带进口少量仪表开始，到技术改造所需单台进口，迄19

2、97年估计装用量在35004500台之间。1997年我国已有4家制造厂自行开发 CMF供应社会，如太行仪表厂已有完整的LZL系列，还组建有几家合资企业引进国外技术生产系列仪表。1 .原理与结构如图1所示，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度3旋转的管道内移动时，质点受两 个分量的加速度及其力:图 1 科里奥利力 法向加速度，即向心加速度a 其量值等于32r,朝向P轴；切向角速度a：即科里奥利加速度，其值等于 23V,方向与a座直。由于复合运动，在质点 的a访向上作用着科里奥利力 Fc=23 Vm ,管道对质点作用着一个反向力 -Fc=-23 Vm。当密度为p的流体在旋转管道中以恒定速度V流

3、动时，任何一段长度 x的管道将受到一个切向科里奥利力 Fc ,Fc=2 3 Vp A x (1)式中A-管道的流通截面积，由于质量qm=pVA所以Fc =2uqmA x (2)因此，直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。然而，通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前CMF 均代之以管道振动产生，即由二端固定的薄壁测量管，在中点处以测量管谐振或接近谐振的频率(或其高次谐波频率)所激励，在管内流动的流体产生科里奥利力，使中点前后两半段产生方向相反的桡曲，用电磁学(或光学)，方法检测桡曲量以求得质量流量。图 2 科里奥利质量流量传感器A-驱动线圈； B-检测探头又因流体密度

4、会影响测量管的振动频率，而密度与频率有固定的关系，因此CMF 也可测量流体密度。2 为流量传感器一例，主要由测CMF 由流量传感器和转换器（或流量计算机）两部分组成。图量管及其支撑固定桥架，测量管振动激励系统中线圈A 或检测探头B， 修正测量管材料杨氏模量温度影响的测温元件等组成。转换器主要由振动源单元、信号检测和信号处理单元等组成；流量计算则还有组态设定、工程单位换算、信号显示和与上位机通信等功能。2. 优点（ 1 ）直接测量质量流量，有很高的测量精确度。（ 2）可测流体范围广，包括高粘度液的各种液体，含有固形物的浆液，含有少量均匀分布气体的液体，有足够密度的气体（压力较高的气体）。（ 3）

5、测量管的振幅小，可视作非活动部件；测量管内无阻碍件或活动件。（ 4）对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。（ 5）流量测量值对流体粘度不敏感，流体密度对流量测量值的影响极微。（ 6 ）一台CMF 可作多参数测量。测质量流量的同期可测流体密度和温度，还可衍生测量体积流量、溶质浓度、液固双相流体（或不相溶双组分液体）异相（或异成分）的含量。3. 缺点（ 1 ）有相当一部分CMF 设计流速很高，产生较大的压力损失。有些型号CMF 的压力损失比容积式仪表大100% 。2）当前 CMF 的最大口径为150mm ，不能用大管径测量。相当部分型号CMF 的重量和体积 较大。（ 3） 只能用于中高压气

6、体，不能用于低压气体。一般认为现有CMF 气体压力不能低于0.1MPa因为低压气体密度很低，质量流量很小，不能达到产生足够可检测的科里奥利力。（ 4）液体中气泡含量超过某一界限会显著影响测量值。（ 5 ）对外界振动干扰较敏感。为防止管道振动影响，相当一部分型号CMF 的流量传感器安装要求较高。（ 6）价格较贵。4. 分类CMF 发展到现在已有30 余系列，其主要区别在于流量传感器测量管结构上的创新；提高仪表精度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管桡度、改善应力分布、降低疲劳损坏；加强抗振动干扰能力等。因而，测量管出现了多种形状结构，因此本节仅就不同角度作分类和讨论：按测量管形状分类，有弯曲形和直

7、形；按测量管段数分类，有单管型和双管型；按双管型测量管段的连接方式分类，有并联型和串联型；按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类，有平行方式和垂直方式。（1）弯曲形：首先投入市场是U字型，现在已开发并继续生产的形状有Q字型、S字型、B字型、圆环型、长圆环型等。设计成弯曲形状是为了降低刚性，与直形管相比可以采用较厚管壁；但易积存气体和残渣而引起附加误差。（ 2）直形：直形测量管CMF 不易积存气体及便于清洗。垂直安装测量浆液时，固体颗粒不易在暂停运行时沉积于管内。流量传感器尺寸小，重量轻， 但管壁相对较薄，测量值受磨蚀影响相对显著。但近年原制造弯曲形CMF 的企业纷纷开发直管形，直

8、管形系列有增加的趋势。4.2 按测量管段数分类这里所指测量管段是流体通过各自振动并检测科里奥利力划分的独立测量管。（ 1 ）单管型：初期开发的产品是单管型，因易受外界振动干扰影响，后多趋向于双管型以相互抵消振动影响。但近年开发新型号又有转向单管的趋势。（ 2）双管型：双管型可降低外界振动的敏感性，容易实现相位差的测量。4.3 按双管型测量管段的连接方式分类（ 1 ）并联型：流体流入传感器后经上游管道分流器（mainfold ）分成两路进入并联的两根测量管段，然后经与分流器形状相同的集流器进入下游管道。分流器要尽可能等量分配，但使用过程中分流器沉积粘附异物或磨损会改变原流动状态，引起零点飘移，产

9、生附加误差。（ 2）串联型：流体流过第一测量管段经导流块引入第二测量管段。本方式不会产生因分流变化所引起的缺点，适用于对切变敏感的流体。1 ）平行方式：测量管的布置使流体流动方向与工艺管道流动方向平行，采用这种方式的型号 较多。（ 2）垂直方向：测量管道布置得与工艺管道垂直，流量传感器整体不在管道振动干扰作用的平面内，抗管道振动干扰的能力强。5. 应用概况和选用考虑要点6. 1 应用概况CMF 主测量参量是质量流量，第二测量参量是流体密度，还有附加测量参量流体温度。此外，从质量流量和流体密度衍生出测量体积流量，双组分溶液中溶质的浓度或不相溶第二组分浓度，液固双相流中固相含量。CMF 应用最多的

10、是需要考核质量（不是品种的质量，是mass ）为目标的计量总量或控制/测量流量，具体说有：贸易结算交接计量或企业内部核算计量；批量生产（batch process ）材料的分批计量（替代以前费工费时的称重计量）；管道混合（blending ）的控制。文献1例举若干具体应用实例。密度是 CMF 测量的第二参量，在生产过程中做品质指标控制，如溶液稀释程度，交接时防止卖方有意稀释；在溶液中求取溶质浓度，测量溶液中溶质流量或总量，如油井中流出油水混合液中油的产量；辨别流动中液体种类，分路发送，如区分管系成品液和清洗液交替流动，分送下游不同管道。CMF 早期仅用于液体，然后扩展应用于高压气体，到90 年

11、代初才有适用于中压气体的仪表。据Micro Motion 公司称： 迄 1997 年该公司已有7500 台 CMF 应用于气体，其中服务于压缩天然气汽车加注站的CMF 有 6000 台。CMF 应用于高压天然气汽车加注站已趋成熟，渐成共识。OIML （国际法制计量组织）为此制订“国际计量规程”， 2000 年 1 月发出第1 稿委员会草案征求意见。在我国中国测试技术研究院开发的CMF 亦于 1996 年试用于汽车加注站，迄1999 年已装用了数十台。国外一市场分析公司对CMF 应用于各产业分布的估计：石油化工占57% ， 能源和公用事业18%，食品饮料和医药工业14% ，其他 11% ，其中食

12、品医药占有相当比例。在国内应用较多的产业是资金雄厚的石油、化工、能源等业，而食品工业用得很少。5.2 仪表性能方面的考虑5.2.1 测量精确度（ 1 ）基本误差、零点稳定度、重复性误差CMF 大部分以“量程误差加零点不稳定性 ”的方式表述基本误差。这既不是引用误差（常以%FS表示），又不是相对误差的另一种表达方式，易使用户产生精确度很高的错觉；若是零点不稳定性较差的仪表，实际上在低流量或接近下限流量时，常有零点不稳定性超过量程误差许多倍，误差较大，选用时应予注意。测量液体时，基本误差中的量程误差通常在±（0.10.5） %R之间，重复性误差一般为基本误差的1/42/3。同一仪表用于测

13、量气体时，测量精确度低于测量液体。例如测量液体时基本误差为（ ± 0.1%R+ 零点不稳定性）的Elite 系列 CMF ，制造厂声称测量气体时为± 0.5%R ，但有试验报告结论却称，测量误差优于 +2%R,从报告附图可见，在测量较低压气体时测量误差接近或略超过1%,是零点不稳定度起主要作用2。液体流量范围度大部分在（10:1）（50:1）之间，有些则高达（100:1）（150: 1）。用于测量低压气体应注意到可测上限流量将大为降低，例如 CMF100型（口径25/40mm )在测 0.175MPa 压缩空气时最大流量仅为约4%原额定流量。通常用于气体的CMF 不用气体校

14、验，仍用水校准的仪表常数，通常认为两者之间差别不大。实际还是有些差别，文献2认为 CMF100 型在流体密度从1000kg/m 3(水 )到 2 kg/m 3(0.175MPa 空气 )的范围内，用制造厂校准的仪表常数，精确度优于2% ，大部分误差小于± 0.5% 。零点不稳定性常以 FS或流量值kg/min表示，一般在±(0.010.04) %之间。若零点不稳定性± 0.04%FS 和 20:1 范围度的仪表，下限流量时因零点不稳定性的误差可能达到该测量点流量的± 0.8% 。( 2)静压变化影响量CMF 使用早期人们认为流量测量值不受液体静压影响，随

15、着应用领域的扩展和使用径验的积累，证明是受流体静压影响。实际上流体压力增加，增强了(测量)振动管绷紧(stiffening )效应和弯曲振动管的布尔登效应(Bourdon effect )，影响仪表常数。虽然影响量并不太大，但对高精确度CMF是不能忽视。例如 Micro Motion 公司的 D300/D600 型静压影响约为-(0.135-0.075 ) %/105Pa；CMF100/200/300 型则较小，约为-(0.0030.09)%10 5Pa。影响量是单向的，可作补偿。( 3)流体温度影响量流体温度影响测量管材料的弹性模量和缚贴元件于测量管的粘合剂与绷带的阻尼性，前者影响仪表常数(

16、量程)，后者影响零点。虽然CMF 均置有温度传感器按弹性模量的温度系数补偿弹性模量的变化，然而温度系数是平均统计值，因制造和热处理上差异，与实际温度系数间存在补偿不足或过度的问题，形成温度影响量。影响量是双向的。例如，Micro Motion公司的D系列的温度影响量为额定流量的± (0.010.1) %/10 , CMF系列则较小，为 ± (0.0025 0.01 ) %/10 ®o4）实际测量精确度评估实际工作条件下测量精确度可采用基本误差、压力影响量和温度影响量的均方根求得。5.2.2 流量范围和压力损失前文提到CMF 流量范围度很大，实际上是由于上限流量定得

17、很高所致，如按水密度计算名义口径流速高达812m/s ,甚至高达1516m/s。而容积式或涡轮式等其他流量仪表仅为35 m/s ,约为 CMF 的 1/3。 CMF 测量管内流速还要高，因此大部分型号CMF 的压力损失较大，用于水等低粘度液体时为0.10.2MPa ,选用时应予注意。按使用条件选择CMF 规格大小考虑的主要因素之一为估算仪表压力损失（或称压力降）是在管系允许值之内。在允许压力降情况下，为获得最佳测量精确度，使用的最大流量尽可能在流量范围内选得高些。通常CMF 的名义口径小于（或等于）管径，很少有大于管径者。CMF 的压力降随着流体粘度增加而增加。图3 所示是 D150 型（口径

18、40/50mm ）的不同粘度流体流量-压力降关系线列图。”=1mPa s相当于常温水粘度，u=0.01mPa-s相当于大部分气体的粘度。从图上可以看出粘度为 500mPa s液体的压力降为水的10倍。高粘度液体在仪表中流动呈层流状态， 压力降Ap和流量qm间呈线性关系（即 p=kqmn,式中n=1 , k为系数）；低粘度时为湍流流动，呈 平方关系（即n=2）;中等粘度关系线为折线，小流量段呈层流，中高流量段为从层流转向湍流过渡 区流动，n在12之间。图 3 降线列图所使用液体的粘度在图示线列之间，有建议可采用比例内插法近似计算 ，实际上只适用于高粘度液体层流流动区，不适用于呈指数关系的湍流区和

19、过渡区。以 CMF 替代原有管线上其他类型流量仪表的技术改造项目时，更要核算动力泵扬程能否满足CMF 所增加压力损失，必要时调换较大扬程的泵。5.3 流体物性方面的考虑基于科里奥利力仅取决于质量流量而与流体物性和工况变化无关的工作原理，从而应用CMF 的初期人们认为流体物性和工况不影响测量精确度。然而经验表明响应科里奥利力的测量变形受所测对象流程条件所干扰。流体物性和工况变化使测量管几何形状和性能出现某些变化，通常影响下列三个校准参量中一个或二个：几何形状和材料性能的校准系数，测量管材料弹性模量的温度修正量，针对传感器不对称的零偏置。性能完善化的CMF 设计，力图减少或消除这些影响，但还仍然存

20、在。5.3.1 流体温度流体温度过高又可能损坏靠近测量管驱动线圈和检测探头。应用于流体易凝结的保温或加热管系，应防止在流量传感器处凝结，必要时选用保温型CMF制造厂所提供流体工作温度范围，并不意味着在此范围内可保持常温下校准的性能。流体温度或 环境温度变化会改变测量管材料的杨氏模量和产生零飘。杨氏模量的温度影响经电子线路补偿，但也 有可能残剩一些影响量，零飘是受测量管形状等非对称性变化所形成，是不能再现的，尚难减小或消 除。市场上CMF受温度影响实际情况如何？90年代初英国NEL (国家工程实验室)曾对多家制造厂 CMF做过温度影响量实流试验1。水 温变化范围5c40 C,每改变一次水温，在做

21、流量试验前先调零，以后就不准再调。8台仪表中3台无影响，1台的仪表常数变化 0.5% , 2台变化1%1.5% , 2台变化1.5%2%。5台有变化的仪 表温度影响量范围为 ± (0.014-0.057 ) %/ ,还是相当大的。5.3.2 流体压力首先考虑流体压力不应超过规定工作压力，其次考虑静压变化影响的程度。压力变化影响测量管 绷紧程度和布登效应的程度，以及破坏测量管不对称的原零点偏置。虽然仪表常数变动和零飘很小， 但是使用时压力和校准时相差甚大时，对于高精确度仪表影响值还是不能忽视的。小口径仪表壁厚管 径比大，影响小；大口径仪表壁厚管径比小，影响大。市场上 CMF受压力影响的

22、情况如何？NEL对8台CMF所作压力试验结果如表 1所示，影响最大为-1.75%/MPa,最小为-1%/MPa ,平 均为-1.4%/MPa 4。表1压力影响静压/MPa流量测量误差/%平均-2.21-3.25-3.75最小-1.57-2.55-2.60最大-3.15-4.00-4.56注：以校准时的压力为基准5.3.3 流体密度流体密度变化改变流量测量系统的质量，从而流量传感器的平衡发生变化，导致零点偏移。如果测量某一特定液体，只要在实际使用的液体密度条件下调零，使用过程中的密度变化不大，一般不存在问题。但在一根管道上测量密度差别较大的几种液体时，会带来零点变动的附加误差。NEL对8台CMF

23、作4种不同密度液体的密度影响试当白,密度范围从（煤油）0.78至I （乙二醇）1.11kg/L。有一台变化+0.5%（以煤油为基准）4。CMF 可测量液体粘度的范围很宽，并呈现良好的测量性能。虽有报告论及粘度影响测量精确度，但很少有试验数据。液体粘度会改变系统的阻尼特性，从而影响零偏置；在低流量时对流量测量值有一定程度的影响。如前文所述，粘度增加会增加仪表的压力损失。5.3.5 双相流体中异相含量制造厂常称含有百分几体积比游离气体影响测量不大。当测量气泡小而分布均匀的液体，如冰淇淋和相似乳化液，可能是相对的。然而意大利计量院对7 种型号 CMF 含气量影响试验表明：含气泡1%时有些型号无明显影

24、响，有些型号误差为1%2%,其中一台双管直管式则高达10%15%;含气泡10%时，误差普遍增加到15%20%,个别型号高达80%5。此外流体的压力、流速、粘度和气液混合方式的差异，所带来的影响也不一样。测量含有少量固体的液体时，各类型CMF 都有较高的信赖度。当固体含量较多或固体具有强磨蚀性或软固体（如食品汤汁中的蔬菜块），应选用单管直管型或串联双管型。因为如用并联双管型，分流器上有可能粘附异物或磨损导致改变两路分流量，产生误差；更为严重者如一路堵塞可能不被立即发现。见到应用于固体含量20%30%的浆液和含30%80%200tm 砂粒的报告1。5.4 环境方面的考虑5.4.1 环境温度与湿度环境温度变化会影响流体温度，流体温度变化影响如前文所述。此外环境温度会影响电子元件性能，亦会引起CMF 零飘。如有必要安装仪表的电子部分于温度受控的环境中。因为仪表一般是密封的，可防范潮湿的环境气氛。CMF 可以在振动环境下工作，但必须与振动隔离，例如与振动管间用柔性管连接和采用隔离振动的支撑架。但更应预防振动频率与CMF 的工作频率或谐波频率相同。同一型号多台仪表串接安装或较接近地平行安装，尤其是