质量流量计测量原理与应用课件

质量流量计测量原理与应用

质量流量计测量原理与应用

1质量流量计测量原理与应用

一、质量流量计基本概念

二、质量流量测量技术的发展

三、科里奥利质量流量计典型结构和工作原理

四、科里奥利质量流量计的应用

质量流量计测量原理与应用一、质量流量计基本概念2质量流量计测量原理与应用

——质量流量计基本概念

(一)仪表定义

(二)仪表分类

(三)仪表的测量特性

(四)仪表测量的不确定度

质量流量计测量原理与应用

——质量流量计基本概念3

质量流量计基本概念——仪表定义

质量流量计是对被测介质的流量进行连续测量，测量结果是以公斤或吨等工程单位显示出来的流量仪表。

质量流量计基本概念——仪表定义4

质量流量计基本概念——仪表分类

质量流量计是一种推理式流量计，按测量方法可以分为二大类：一是质量流量间接式测量，即同时测量流体的体积流量和密度值，由运算放大器计算得到流体质量，或是同时测量流体的体积流量和温度、压力值，利用流体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量；二是质量流量直接式测量方法，流体测量直接反映质量流量值，与流体的温度、压力和密度等参数的变化无关。

质量流量计基本概念——仪表分类5质量流量计基本概念——仪表分类

1、间接式质量流量计（1）

压力温度补偿式差压流量计（2）

压力温度补偿式体积流量计2、直接式质量流量计（1）

热式质量流量计（TMF）a、

托马斯流量计b、

边界层流量计c、

旁路管流量计（2）

冲量式质量流量计（冲板）（3）

差压式质量流量计（孔板+定流量泵）（4）

双涡轮式质量流量计

（5）科里奥利式

质量流量计基本概念——仪表分类1、间接式质量流量计6

质量流量计基本概念——仪表的测量特性仪表的测量特性(静态特性和动态特性)静态特性：是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。对静态特性的基本要求是：输入为零输出亦为零，输出与输入成惟一的对应关系。表征静态特性的参数有：静态变换函数、静态特性曲线、仪表系数、流出系数、流量范围（量程）、线性度、灵敏度、迟滞、稳定性、零漂、重复性、精确度和压力损失等。质量流量计基本概念——仪表的测量特性仪表的测量特7

质量流量计基本概念——仪表的测量特性动态特性

是指被测量对象的输入值瞬态快速变化时，输出值的时间响应或频率响应特性。（1）

时间域被测对象输入值为阶跃信号时，输出值的时间响应特性。其品质指标可用时间常数表示。时间常数是指输出值达到63%稳态值时的时间，用S表示。（2）

频率域

被测对象输入值按正弦波频率变化时，输出值的频率响应特性。流量计的输出值与输入值的比值随频率而变化的特性称为频率响应特性。

质量流量计基本概念——仪表的测量特性动态特性8质量流量计基本概念—仪表测量的不确定度

1、测量误差组成流量测量误差出现的特点可分为系统误差、随机误差和疏忽误差。

2、测量的不确定度

（1）

标准不确定度的A类评定（2）

标准不确定度的B类评定（3）

合成标准不确定度（4）

扩展不确定度（5）测量不确定度计算与表示

3、流量测量的不确定度

首先求的各参数A类和B类不确定度，然后进行合成标准不确定度和扩展不确定度的计算。

质量流量计基本概念—仪表测量的不确定度1、测量误差组成9

质量流量测量技术的发展

流量测量技术的发展与应用和需求是相互依存的，应用和需求是推动流量测量技术发展的动力。目前，质量流量的各种测量方法，包括间接式和直接式测量方法，都有一定的应用。质量流量间接测量方法，因为引入了多个中间参数的测量，然后进行运算和修正，因而积累误差较大，但因其具有传统方式的继承性，用户又比较熟悉，在一些测量准确度要求不高的场合，应用仍比较多。尤其是采用补偿式方式测量气体的质量流量或气体标况体积方面的应用十分广泛。质量流量测量技术发展的重点是质量流量直接式测量方法，以提高测量准确度，实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、高可靠的测量。在质量流量直接式测量方法中，科里奥利质量流量计已经受到各方面用户的青睐。这是因为它能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大，又适合应用于高粘度流体。质量10科里奥利质量流量计典型结构和工作原理

（一）概述

（二）CMF基本结构

（三）CMF测量原理

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理（一）概述11科里奥利质量流量计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式质量流量仪表。从1950年开始，科学家和工程师们花费了许多年试验、开发质量流量仪表，借此消除容积测量的误差及昂贵不便的称重法。在1970年后James.E.Smith—美国高准（MicroMotion）公司的创始人成功地开发了第一个可应用于工业的质量流量计，科里奥利质量流量计，它是根据科里奥利[Coriolis]效应原理研制而成的。1984年James.E.Smith将所发明的“U”型振动管式的科里奥利质量流量计(CoriolisMassFlow—CMF)投入市场。之后各国仪表厂相继开发生产。我国CMF的应用起步较晚，设计生产CMF的厂家仅有太行仪表厂等，还有几家制造厂组建合资企业采用国外技术组装生产销售质量流量仪表。

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理--概述科里奥利质量流量计是利用流体在直12科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成。1、流量传感器流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感型谐振式传感器。该传感器由振动管、信号检测器、震荡驱动器、支撑结构和壳体所组成。

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成。科里奥13

图3.2.1双U型管质量流量传感器结构示意图图3.2.2双直型管质量流量传感器剖面图

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构14科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构2、流量变送器是以微处理为核心的电子系统。它用来向传感器提供驱动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其他一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。流量变送器一般输出标准电流信号或频率信号，并可按一定的通讯协议，实现与上位机和DCS系统的交联与远传通讯。变送器上的显示面板可以组态显示所要求的各种参数。

有的流量变送器，没有显示面板和操作键盘，只有模拟量或频率量输出。在实际应用中需要另外配备二次仪表和手操器实现参数显示、流量累积和操作组态。

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构2、153、流量传感器的测量管结构形式科里奥利质量流量传感器的测量管有各种不同的结构形式：（1）按照测量管的数量可将其分为单管型、双管型和连续管型三种结构。

（2）按照测量管的形状可分为直管型和弯管型两大类。

目前，科里奥利质量流量传感器的检测振动管管形已发展到二十多种。无论振动管形状如何，基本原理是一致的，都是根据Coriolis效应原理测量流量质量的。科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构3、流量传感器的测量管结构形式科里奥利质量流量计16图3.2.3典型的测量管管型图

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构图3.2.3典型的测量管管型17CMF测量原理

1、基本理论

2、CMF测量原理

3、信号处理系统

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF测量原理CMF测量原理科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF18

CMF测量原理——基本理论

1、基本理论

Coriolis效应是一种自然现象，于1835年在巴黎可尔[Ecole]工业大学的数学教授Gaspard.GustavedeCoriolis定量的。Coriolis效应可解释在地球表面上自由运动的物质为什么会看似弯曲运行在一个转动参照系中当一个物体相对于该系而平移时，除了向心力外还有另一个附加力作用在该物体上，这个力称为Coriolis力。例如设参照系是一个以恒定角速度绕轴O而转动的圆盘（图3.3.1），其转动方向图中矢量所示，当一个物体以速度V’沿半径运动时，就有一个“惯性力”FK=2V’·ωm作用于该物体上，此力的方向垂直于V’，力FK就是Coriolis力，此力即依赖于物体相对于转动参照系的速度V’，也依赖于参照系转动的角速度ω。图3.3.1

传动系

CMF测量原理——基本理论1、基本理论19

Coriolis质量流量计就是将永恒的旋转运动变成了振动在检测器有一个电磁驱动系统，它驱动测量管以它固有的频率振动，这就形成了一个转动参照系，它的振动与调谐振音叉相类似。当一个位于旋转体内的质点作朝向或远离旋转中心的运动时，将产生一惯性力，图3.2.2表示这一原理。图3.3.2旋转管道中的科氏力

CMF测量原理——基本理论

Coriolis质量流量计就是将

20当质量为m的质点以匀速V在一个围绕固定点O并以角速度ω旋转的管道移动时，将沿着旋转的法线方向存在一个向心力Fr=ω2r·△m；沿着切线方向质点对管壁也产生一个反作用力，Fc=2ωV·△m，这个力就是Coriolis力Fc=2ωV·△mFc=Coriolis力ω=旋转体的角速度V=质点在旋转体中的经向速度△m=质点的质量上式表明,在旋转角速度一定的条件下,一个质点的Coriolis力的大小与该质量的流速成正比。因此直接或间接测量在旋转管道中的流体所施加的科里奥利力就可以测得质量流量。这就是CMF的基本原理。

CMF测量原理——基本理论

当质量为m的质点以匀速V在一个围绕212、CMF测量原理

以Micromotion的U型振动管为例，对Coriolis质量流量计的测量做定量分析：Micromotion的U型振动管，通常振幅小于1mm，频率大约为80Hz.图3.3.3为振动中的测量管,流体被强制接受管子的垂直动量,在管子向上运动的振动半周期时,流入仪表的流体向下压,抵抗管子向上的力.反之,流出仪表流体存在向上的力,抗图3.3.3振动中的测量管

拒管子对其垂直量的减少而把管子向上推。两个反作用力合成引起流量测量管扭曲；这就是Coriolis效应。在振动的另外半周期，管子向下运动而扭曲方向就相反。图3.3.4显示一个流体，经过一个测量管，有一个质量m和速度V，它以相对O—O轴线的角速度ω旋转。因而产生Coriolis：

CMF测量原理——CMF测量原理2、CMF测量原理

CMF测量原理——CMF测22F=2mωV（1）

式中F和ω是矢量,m包含在长度L测量管中的质量(即半管中的流体质量)。

图3.3.4测量管转动示意图

流体的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果从尾端观看这个测量管是两个引线（在图3.3.4中从R—R轴线看进去），由在入口与出口管线上的流体产生的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。由于管子相对O—O轴振动，这个力产生一个相对于R—R轴的振动力矩M（半径是r）。CMF测量原理——CMF测量原理F=2mωV（1）CMF23M=F1·r1+F2·r2（2）由于F1=F2r1=r2由式子（1）和（2）得出：M=2Fr=4ω·V·m·r(3)质量m是由密度ρ、管截面积A和长度L定义的，速度V是由单位时间的单位L定义的。质量流量qm是由每单位时间内通过的一个给出点质量决定的，那就是m=ρ·A·L及V=L/t、qm=m/t这样通过取代qm

=mv/L式中L是管长,式(3)变成:M=4ω·r·qm·L(4)力矩M产生一个角度偏转即扭转角θ,相对于R—R轴线。这扭转角在振动管移动的中点最大(图3.3.5所示)图3.3.5由测量管尾端所显示泊流体力

CMF测量原理——CMF测量原理M=F1·r1+F2·r224然而，由M产生的偏转被测量管的伸展弹力K所抵制，总之，对于任何的扭转弹力，扭矩T定义为T=Kθ（5）由于T=M，现在通过组合（4）与（5）式，质量流量qm能与偏转角度θ联系成相关式子。

Kθqm=（6）4ω·r·L在管子轴线中心的移动速度Vt（线速度）乘以时间间隔△t，就与用几何图形3.3.5表示的θ有关系。

Vt·△tSinθ=（7）2rCMF测量原理——CMF测量原理然而，由M产生的偏转被测量管的伸25由于θ很小，它几乎等于Sinθ,对于小的旋转角Vt是ω和管长L的乘积，那就是θ=Sinθ、Vt=ωL，这样式（7）变成：

ω·L·△tθ=（8）2r综合式（6）和（8）得出：

K·ω·L·△tKqm==△t（9）8r2ω·L8r2CMF测量原理——CMF测量原理由于θ很小，它几乎等于Sinθ,对于小的旋转角Vt是ω26这样质量流量计qm只与时间差△t和几何常数成比例，qm与ω无关，所以说与测量管的振动频率无关。质量流量通过用电磁感应器测量偏转角θ获得，如图3.3.6所示，在横穿于测量管的中心轴线上的感应器，按一个时间函数测量θ，当没有流量时，在测量和轴线左右之间转角θ为零，时间差△t即是0。而随着流量的增加引起θ增加，时间差△t也增加。而这个时间差△t可以通过安装在U形管端部的两个位移检测器所输出的电压的相位差测量出来，传送到仪表的变送器进行处理转换。

CMF测量原理——CMF测量原理这样质量流量计qm只与时间差△t和几27图3.3.6测量管扭转的完整周期

CMF测量原理——CMF测量原理CMF测量原理——CMF测量原理28CMF测量原理——信号处理系统

3、信号处理系统

在流量传感器工作过程中，测量管弹性系统始终处于谐振状态。没有测量管的振动，就没有科氏力的发生，质量流量传感器就停止了工作。

CMF测量原理——信号处理系统3、信号处理系统29CMF测量原理——信号处理系统大多采用电磁法检测相位差的变化。其原理如图3.3.7所示，两个检测线圈分别位于其中一根测量管两侧对成位置上，在另一根测量管响应位置上固定着两块永久磁铁。根据电磁感应原理，测量管震动过程中在检测线圈回路里形成相对速度变化的交变电势。当测量管中无流体流动时，测量管进出口侧通过振动中心位置的时间相同，其产生的交变电势相位亦相同；当测量管中有流体流动时，测量管进、出口侧通过振动中心位置的时间不同步，因而产生的交变电势的相位便有了一个差值。CMF测量原理——信号处理系统大30质量流量计测量原理与应用课件31CMF测量原理——信号处理系统

除图3.3.7所示的信号处理电路之外，目前大多数弯管型质量流量计也都采用了以微处理器为核心的信号处理电路，其电路框图的一般形式如图3.3.8所示．在图3.3.8中，由左、右侧电磁式检测器L、R的测得二列电压正弦信号分别经本安电路到隔离放大器A1、A2进行放大。

CMF测量原理——信号处理系统除图3.3.7所示的信号32CMF测量原理——信号处理系统同时，由左侧信号检测器L输出的电压正弦信号经隔离放大器A2放大，再经驱动放大器放大后，给驱动线圈提供激励电流，由电磁驱动器激励测量管振荡。而该振动信号又被信号检测器所拾取，从而有信号检测器、放大器和电磁驱动器构成一个正反馈回路，维持测量管振动系统的自激振荡。为了保持测量管的稳幅振动，在驱动放大器上接有负反馈AGC自动增益控制电路,在AGC自动增益控制电路中u2与基准电平相比较，输出一幅值稳定的控制信号到激励线圈，使电磁驱动器驱动测量管以激励频率振动。CMF测量原理——信号处理系统同时，33CMF测量原理——信号处理系统

左、右侧电磁式检测器L、R的检测信号，经隔离放大器A1、A2放大后，进入信号处理电路，信号处理电路在微处理器的配合下，得到左右检测信号的相位差或时间差△t，这个时间差与质量流量成线性关系。同时，信号处理电路根据其输入信号u1和u2得测量管的振动频率信号。测量管的振动频率是流体密度的函数，随流体密度增大而减小。微处理器根据检测信号的时间差△t和检测信号的频率f，解算出流体的质量流量和密度。

CMF测量原理——信号处理系统左、右侧34CMF测量原理——信号处理系统此外，质量流量传感器中的温度检测元件一般为帖附在测量管进口端管壁上的铂电阻。铂电阻由恒流源供电，并取会铂电阻的端电压，由电压变换电路处理产生电压UR

。微处理器根据电压UR

解算出测量管的温度值，并对由测量管管材的弹性模量随温度变化所引起的质量流量和密度测量的温度结构误差予以修正。由微处理器直接驱动电流环和频率环部件，分别输出0/4~20mA标准电流信号和频率信号，标准电流和频率信号所代表的被测量和范围均可以组态。

CMF测量原理——信号处理系统此外35CMF测量原理——信号处理系统图3.3.8信号处理系统框图

CMF测量原理——信号处理系统图3.3.8信号处理36科里奥利质量流量计的应用

(一)科里奥利质量流量计的应用优势(二)科里奥利质量流量计选型

(三)科里奥利质量流量计检定

(四)科里奥利质量流量计安装和调试

(五)结束语科里奥利质量流量计的应用(一)科里奥利质量流量计的应37

科里奥利质量流量计的应用优势(一)科里奥利质量流量计的应用优势

1)

高精度流量测量：目前世界各处所应用的CMF其精度（或称不确定度）都优于±0.2%（O、r）、±0.015%（O、f、s），重复性优于±0.1%（O、r）、±0.01%（O、f、s）。2)同时测量多种参数：CMF不仅可以测量出流体的瞬时质量流量和累积的总质量，同时还可以指示出流体的密度、温度,并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。

科里奥利质量流量计的应用优势(一)38科里奥利质量流量计的应用优势3)

应用范围广泛：1、

包括高粘度的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。CMF还能测量出双组份流中每种已知组份各自的质量流量，这是其它流量仪表难以实现的。例如油—水双组份流体，只要知道水和油的密度—温度函数关系，就不难从测出的混合质量流量混合密度中计算出各自的质量流量来。

科里奥利质量流量计的应用优势3)

应用范围广泛：1、

包括39科里奥利质量流量计的应用优势4)

CMF检测器没有可动部件和密封件，从而结构简单、可靠性高、维护简便

。5)

由于流场分布对CMF正常测量没有影响，所以对仪表上下游没有直管段的长度要求。

6)可以用于双向流的测量，能指出流向和质量流量等物理参数。

科里奥利质量流量计的应用优势4)

CMF检测器没有可动部件和40科里奥利质量流量计选型（二）科里奥利质量流量计选型流量仪表选型，首先要根据测量目的以及被测介质的性质、流体的流量范围、工艺条件下的流体参数、安装环境条件等各方面的因素，选用不同类型的流量计。

科里奥利质量流量计选型（二）科里奥利质量流量计选型41科里奥利质量流量计选型1、选型原则（1）

根据被测流体的类型选择流量计的结构（2）

安全性原则（3）

流量范围（4）

准确度（5）

压力损失（6）

其他性能因素（7）

性能价格比科里奥利质量流量计选型1、选型原则42科里奥利质量流量计选型2、选型方法科里奥利质量流量计的选型方法有手工计算法和软件法两种。具体方法与步骤：（1）

填写工艺操作条件a、流体名称及性质b、流体状态（液态、气态、浆液或其他形式）c、工艺状况下的流量（最大、常用、最小值）d、工艺状况下的压力（最高、常用、最低值）e、工艺状况下的温度（最高、常用、最低值）

科里奥利质量流量计选型2、选型方法43科里奥利质量流量计选型f、

工艺状况下的密度范围g、工艺状况下的粘度范围h、工艺管道管径i、

允许测量误差j、

允许压力损失k、

允许最大流速科里奥利质量流量计选型f、

工艺状况下的密度范围44科里奥利质量流量计选型（2）

根据工艺条件，对照技术指标，预选传感器型号（3）

计算流量传感器的压力损失（4）

计算传感器测量管内的介质流速（5）

计算测量准确度（6）

变送器及二次仪表的选型科里奥利质量流量计选型（2）

根据工艺条件，对45科里奥利质量流量计选型变送器及二次仪表的选型主要考虑以下几个方面：a、安装结构形式b、

电源供给方式c、信号输出方式d、通讯方式及接口选择e

、根据测量功能的需要，选择二次仪表

科里奥利质量流量计选型变送器及二次仪46科里奥利质量流量计检定

1、科里奥利质量流量计检定规程JJG897—1995《质量流量计检定规程》2、科里奥利质量流量计检定的基本内容（1）

外观（2）

耐压强度（3）

基本误差（4）重复性

科里奥利质量流量计检定1、科里奥利质量流量计检定规程47科里奥利质量流量计检定3、检定方法和设备要求质量流量计的检定，一般是通过流量标准装置来进行的，流量标准装置可分为静态法和动态法两类。对于液体流量测量的质量流量计常采用液体流量标准装置进行检定。其方法有：（1）静态称量（质量）法用“质量法液体流量标准装置”，在测量时间间隔内，经换向器进入称量容器的液体质量。

科里奥利质量流量计检定3、检定方法和设备要求48科里奥利质量流量计检定（2）静态容积加密度计法用“容积法液体流量标准装置”，在测量时间间隔内，经换向器流入定容容器的液体液体体积量，同时测出检定介质的密度，然后经过计算，以求得质量流量。（3）标准体积管加密度计法用“体积管法液体流量标准装置”，在测量时间间隔内，液体直接流入定容容器—标准体积管，同时测出检定介质的密度，然后经过计算，以求得质量流量的方法。科里奥利质量流量计检定（2）静态容积加密度计法49科里奥利质量流量计检定（4）标准表法即以标准流量计为标准与被检质量流量计进行直接比较。无论采用哪种检定方法，检定系统（即流量标准装置）的准确度应优于被检质量流量计基本误差限的1/3以上.科里奥利质量流量计检定（4）标准表法50科里奥利质量流量计安装和调试

1、仪表安装（1）安装场所的选择根据科里奥利质量流量计的测量原理，选择安装场所时，应着重考虑以下几点：a、

系统压力问题当测量液化的气体或热溶剂以及有析出气体趋向的介质时，为防止气蚀的产生，必须保证安装在管线中的传感器有足够的被压。一定的被压要求还可以使介质始终充满传感器测量管，避免出现半管而导致测量不准。被压是指传感器下游端口出流体的压力，一般常在距离传感器下游端口3L（L为传感器长度）之内的管道处测量。科里奥利质量流量计安装和调试1、仪表安装51科里奥利质量流量计安装和调试最小被压指标为P≧A△P+BP0

△P——流量计压损P0——最高工作温度下介质的饱和蒸汽压A、B为系数——是流量传感器的结构以及介质的性质而定，一般由实验得出。

*要保证背压，一是将传感器装在靠近泵出口侧，或装在上升管道的较低部位来测液体，而且流量计下游上升管道的高度应不低于2m（视介质的密度而定），二是上升管道的下游侧不得有同样长或稍短的下降管道，以保证流体上升时产生的静压不被回降时抵消。

科里奥利质量流量计安装和调试最小被压指标为P≧A△P+BP052科里奥利质量流量计安装和调试*在测量易挥发的液体时，如液化气、溶剂等，CMF必须安装在压力大于该液体饱和蒸汽压处，表前最好不加带节流性质的元件。如果必须加应远离CMF。*由于液体达到其饱和蒸汽状态还受温度变化的影响，因此CMF应安装在远离高温源的地方。另外要避免阳光直接照射。

图4.4.1静压被抵消的情况

科里奥利质量流量计安装和调试*在测量易挥发的液体时，如液化气53科里奥利质量流量计安装和调试*在测量易挥发液体的整个系统中，如果工艺条件允许的话，应尽量减少阻力件（如弯头、缩管、阀等），避免压力损失过大，保证系统压力。同时管道采取保温遮光的办法，避免温度变化所产生影响。总之要防止系统压力低于流体的饱和蒸汽压，即液体蒸发汽化压力，该汽化压力使液体开始沸腾，而产生气化现象，使CMF不能正常工作。b、

避免电磁干扰和射频干扰

若装在大电机、射频发送器、变压器、大功率电开关等附近，传感器中测量管的自激谐振动会受到干扰，而且检测器检测出来的微弱信号也可能被淹没在干扰信号中。

另外，连接仪表各部分的电缆的走线也不要覆盖在这些可能产生干扰的设备上面，或是靠近。也不要靠近高压供电电缆。

科里奥利质量流量计安装和调试*在测量易挥发液体的整个系统54科里奥利质量流量计安装和调试

c、避免振动的影响

科里奥利质量流量计的测量原理和结构都决定了外界振动对它会造成影响。*若需要在管线振动大的地点安装小口径流量计，可在流量计的进出端用软管连接，并将流量计本身固定在坚实稳定的基础或减振板上。*若需要在这种管线上安装大口径流量计，有时要用膨胀节来消振，但必须在膨胀节与传感器之间加装带有坚固支撑的短接，否则，由于管道的伸缩造成附加应力，致使流量计测量不准。*若传感器需要在同一管线串联安装，应特别注意防止由于共振产生的相互影响。它们之间的距离至少应大于传感器长度的3倍。或在两台传感器之间加装软连接。*在相邻两条管线上并联安装两台传感器时，也要注意保持两者之间的距离，防止产生相互影响。

科里奥利质量流量计安装和调试c、避免振动的影响55科里奥利质量流量计安装和调试d、危险场所的安装*易燃易爆场所——采用防爆类型仪表*腐蚀环境——所有部件和电缆必须是抗腐蚀的*低温、高温环境——仪表的工作范围要符合要求e、露天安装要防止雨水从传感器、变送器的接线孔渗入。

f、信号传输电缆长度的限制

一般情况下，变送器及二次仪表都安装在安全区，也有一些直接在室内。由于信号传输的要求，仪表都强调要采用专用电缆,而且专用电缆最长限制在150~1000m之间。

科里奥利质量流量计安装和调试d、危险场所的安装56科里奥利质量流量计安装和调试g、流场分布从优原则虽然CMF没有安装直管段的要求，但是如果有条件还是在其前保持一定的直管段为好。尤其在流速较高的情况下，表前的突然节流可能会造成空化和液体的喷泄。不仅会影响CMF的正常工作，而且还可能导致仪表的损坏。

h、其他注意事项*测量液体介质，特别是易汽化的液体或含有少量气体的液体介质时，应把传感器安装在管道的较低处，而不是安在最高处，以防止夹杂气体在测量管中聚集而导致测量误差。*测量气体介质，特别是非干燥气体或在高压下易液化的气体介质时，应把传感器安装在管道的较高处，而不是安在最低处，以防止液体在测量管中聚集而影响测量准确度。

科里奥利质量流量计安装和调试g、流场分布从优原则57科里奥利质量流量计安装和调试（2）

传感器安装方式的选择传感器的安装一般分为垂直安装和水平安装两种方式。传感器安装方式应依据被测流体的类型和传感器自身结构加以选择。

a、

垂直安装*直管型传感器——无论测量什么介质都适合。*弯管型传感器——“U”型和S型可以；

在测量非干燥气体、含有少量气体的液体以及含有固体颗粒的浆液时，“Ω”和三角型不适合。

*在垂直管道安装时，要保证测量管充满介质。

科里奥利质量流量计安装和调试（2）

传感58科里奥利质量流量计安装和调试要选择在上升垂直管道的最下段部位安装CMF。如图4.4.2所示：

科里奥利质量流量计安装和调试要选择在上升垂直管道的最下段部位59科里奥利质量流量计安装和调试因条件所限，CMF只能安装在下流向管道时，在CMF下游必须安装孔板，以保证测量总是满管状态。否则，会因不能完全充满而产生气体，影响测量精度，甚至造成CMF不能起动运行。同时在孔板后面要安装截止阀，以保证进行零点调整。如图4.4.3所示：科里奥利质量流量计安装和调试因条件所限，CMF只60科里奥利质量流量计安装和调试b、

水平安装*直管型传感器和弯管型传感器都适合。*在平行管道安装时，CMF要低位安装（如图4.4.4），因为在管路高空处，容易聚集空气。

因条件所限，CMF只能安装高位平行管段时，在CMF后侧要加装孔板。且在CMF前高点处加排气装置，以便在仪表投用和调校期间排出管道气体。

科里奥利质量流量计安装和调试b、水平安装61科里奥利质量流量计安装和调试（3）

传感器安装步骤a、

核对工艺参数b、采取“无应力”措施，将传感器与上、下游截止阀及其前后配管整体预制在一起，然后焊接到管道中。c、

安装变送器及二次表

d

、电气连接

科里奥利质量流量计安装和调试（3）

传感器安62科里奥利质量流量计安装和调试1、调试投用（1）

调试a、

基本检查*传感器与管道连接*传感器与变送器及二次仪表的电气连接上述检查确认无误后，通电、预热。b、检查组态*过程变量的单位*流量范围及其对应输出*流动方向*小流量切除*密度测量范围设置*离散量输出设置（测量参数的高/低报警；系统故障报警等；）科里奥利质量流量计安装和调试1、调试投用63科里奥利质量流量计安装和调试c、零流量调整

将流量计下游阀关死，最好将上游阀也关死，确认传感器中流量确实为零。在零流量条件下，将输出置为零。

（2）启动将下游阀部分开启，然后慢慢打开上游阀，接着将下游阀完全打开，再将旁路阀关闭。至此，这台流量计进入正常测量工作状态。

科里奥利质量流量计安装和调试c、零64结束语从实际运用的情况来看，科里奥利质量流量计无疑是当今世界流量测量仪表中比较先进的一种。但人们从它日益广泛的应用角度，又提出了新的期望。人们希望科里奥利质量流量计能更进一步提高测量准确度，特别是从改进结构设计、制造工艺等方面入手，提高零点稳定性。由于科里奥利质量流量计使用谐振式传感器，这就要求流量计的传感器能从结构上适应多种应用环境，并具有较强的抗干扰能力。为了扩大它的使用范围，还希望该流量计能不断提高测量气液两相、液固两相及气相介质的质量流量测量的能力和测量准确度。

质量流量测量技术的发展正着重于两个方面：结束语从实际运用的情况来看，科里奥利质量65结束语其一，对多相流体、气体、腐蚀性流体、高温高压流体以及大流量和微小流量的流体等，有待使用有效的质量流量测量手段，使得质量流量的品种、规格能满足生产发展的需要。随着科学技术的进步，微波、电磁、核技术及微电子等新技术不断引入质量测量领域，无接触、无阻碍流体运动部件的高准确度测量质量的传感器技术将逐步成熟。质量流量计二次仪表的制造将日趋微电子化、数字化、和智能化，并将容入以现场总线技术为核心的控制和管理网络。

结束语其一，对多相流体、气体、腐蚀性66结束语其二，流量标准装置应满足质量流量计的检定要求。随着生产技术的提高，各种类型质量流量计的准确度等级也在不断地提高，这就要求流量标准装置的准确度等级能够适应这一要求。质量流量计目前大多采用离线检定法，但因试验室检定条件和环境与质量流量计现场使用条件和环境相差甚远，造成附加的使用误差，降低了测量准确度。因此，开发质量流量计的现场在线标定技术，发展现场实液在线检定质量流量计的标准装置是解决这一问题的根本方法。

结束语其二，流量标准装置应满足质量流67谢谢！谢谢！68质量流量计测量原理与应用

质量流量计测量原理与应用

69质量流量计测量原理与应用

一、质量流量计基本概念

二、质量流量测量技术的发展

三、科里奥利质量流量计典型结构和工作原理

四、科里奥利质量流量计的应用

质量流量计测量原理与应用一、质量流量计基本概念70质量流量计测量原理与应用

——质量流量计基本概念

(一)仪表定义

(二)仪表分类

(三)仪表的测量特性

(四)仪表测量的不确定度

质量流量计测量原理与应用

——质量流量计基本概念71

质量流量计基本概念——仪表定义

质量流量计是对被测介质的流量进行连续测量，测量结果是以公斤或吨等工程单位显示出来的流量仪表。

质量流量计基本概念——仪表定义72

质量流量计基本概念——仪表分类

质量流量计是一种推理式流量计，按测量方法可以分为二大类：一是质量流量间接式测量，即同时测量流体的体积流量和密度值，由运算放大器计算得到流体质量，或是同时测量流体的体积流量和温度、压力值，利用流体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量；二是质量流量直接式测量方法，流体测量直接反映质量流量值，与流体的温度、压力和密度等参数的变化无关。

质量流量计基本概念——仪表分类73质量流量计基本概念——仪表分类

1、间接式质量流量计（1）

压力温度补偿式差压流量计（2）

压力温度补偿式体积流量计2、直接式质量流量计（1）

热式质量流量计（TMF）a、

托马斯流量计b、

边界层流量计c、

旁路管流量计（2）

冲量式质量流量计（冲板）（3）

差压式质量流量计（孔板+定流量泵）（4）

双涡轮式质量流量计

（5）科里奥利式

质量流量计基本概念——仪表分类1、间接式质量流量计74

质量流量计基本概念——仪表的测量特性仪表的测量特性(静态特性和动态特性)静态特性：是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。对静态特性的基本要求是：输入为零输出亦为零，输出与输入成惟一的对应关系。表征静态特性的参数有：静态变换函数、静态特性曲线、仪表系数、流出系数、流量范围（量程）、线性度、灵敏度、迟滞、稳定性、零漂、重复性、精确度和压力损失等。质量流量计基本概念——仪表的测量特性仪表的测量特75

质量流量计基本概念——仪表的测量特性动态特性

是指被测量对象的输入值瞬态快速变化时，输出值的时间响应或频率响应特性。（1）

时间域被测对象输入值为阶跃信号时，输出值的时间响应特性。其品质指标可用时间常数表示。时间常数是指输出值达到63%稳态值时的时间，用S表示。（2）

频率域

被测对象输入值按正弦波频率变化时，输出值的频率响应特性。流量计的输出值与输入值的比值随频率而变化的特性称为频率响应特性。

质量流量计基本概念——仪表的测量特性动态特性76质量流量计基本概念—仪表测量的不确定度

1、测量误差组成流量测量误差出现的特点可分为系统误差、随机误差和疏忽误差。

2、测量的不确定度

（1）

标准不确定度的A类评定（2）

标准不确定度的B类评定（3）

合成标准不确定度（4）

扩展不确定度（5）测量不确定度计算与表示

3、流量测量的不确定度

首先求的各参数A类和B类不确定度，然后进行合成标准不确定度和扩展不确定度的计算。

质量流量计基本概念—仪表测量的不确定度1、测量误差组成77

质量流量测量技术的发展

流量测量技术的发展与应用和需求是相互依存的，应用和需求是推动流量测量技术发展的动力。目前，质量流量的各种测量方法，包括间接式和直接式测量方法，都有一定的应用。质量流量间接测量方法，因为引入了多个中间参数的测量，然后进行运算和修正，因而积累误差较大，但因其具有传统方式的继承性，用户又比较熟悉，在一些测量准确度要求不高的场合，应用仍比较多。尤其是采用补偿式方式测量气体的质量流量或气体标况体积方面的应用十分广泛。质量流量测量技术发展的重点是质量流量直接式测量方法，以提高测量准确度，实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、高可靠的测量。在质量流量直接式测量方法中，科里奥利质量流量计已经受到各方面用户的青睐。这是因为它能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大，又适合应用于高粘度流体。质量78科里奥利质量流量计典型结构和工作原理

（一）概述

（二）CMF基本结构

（三）CMF测量原理

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理（一）概述79科里奥利质量流量计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式质量流量仪表。从1950年开始，科学家和工程师们花费了许多年试验、开发质量流量仪表，借此消除容积测量的误差及昂贵不便的称重法。在1970年后James.E.Smith—美国高准（MicroMotion）公司的创始人成功地开发了第一个可应用于工业的质量流量计，科里奥利质量流量计，它是根据科里奥利[Coriolis]效应原理研制而成的。1984年James.E.Smith将所发明的“U”型振动管式的科里奥利质量流量计(CoriolisMassFlow—CMF)投入市场。之后各国仪表厂相继开发生产。我国CMF的应用起步较晚，设计生产CMF的厂家仅有太行仪表厂等，还有几家制造厂组建合资企业采用国外技术组装生产销售质量流量仪表。

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理--概述科里奥利质量流量计是利用流体在直80科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成。1、流量传感器流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感型谐振式传感器。该传感器由振动管、信号检测器、震荡驱动器、支撑结构和壳体所组成。

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成。科里奥81

图3.2.1双U型管质量流量传感器结构示意图图3.2.2双直型管质量流量传感器剖面图

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构82科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构2、流量变送器是以微处理为核心的电子系统。它用来向传感器提供驱动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其他一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。流量变送器一般输出标准电流信号或频率信号，并可按一定的通讯协议，实现与上位机和DCS系统的交联与远传通讯。变送器上的显示面板可以组态显示所要求的各种参数。

有的流量变送器，没有显示面板和操作键盘，只有模拟量或频率量输出。在实际应用中需要另外配备二次仪表和手操器实现参数显示、流量累积和操作组态。

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构2、833、流量传感器的测量管结构形式科里奥利质量流量传感器的测量管有各种不同的结构形式：（1）按照测量管的数量可将其分为单管型、双管型和连续管型三种结构。

（2）按照测量管的形状可分为直管型和弯管型两大类。

目前，科里奥利质量流量传感器的检测振动管管形已发展到二十多种。无论振动管形状如何，基本原理是一致的，都是根据Coriolis效应原理测量流量质量的。科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构3、流量传感器的测量管结构形式科里奥利质量流量计84图3.2.3典型的测量管管型图

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构图3.2.3典型的测量管管型85CMF测量原理

1、基本理论

2、CMF测量原理

3、信号处理系统

科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF测量原理CMF测量原理科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF86

CMF测量原理——基本理论

1、基本理论

Coriolis效应是一种自然现象，于1835年在巴黎可尔[Ecole]工业大学的数学教授Gaspard.GustavedeCoriolis定量的。Coriolis效应可解释在地球表面上自由运动的物质为什么会看似弯曲运行在一个转动参照系中当一个物体相对于该系而平移时，除了向心力外还有另一个附加力作用在该物体上，这个力称为Coriolis力。例如设参照系是一个以恒定角速度绕轴O而转动的圆盘（图3.3.1），其转动方向图中矢量所示，当一个物体以速度V’沿半径运动时，就有一个“惯性力”FK=2V’·ωm作用于该物体上，此力的方向垂直于V’，力FK就是Coriolis力，此力即依赖于物体相对于转动参照系的速度V’，也依赖于参照系转动的角速度ω。图3.3.1

传动系

CMF测量原理——基本理论1、基本理论87

Coriolis质量流量计就是将永恒的旋转运动变成了振动在检测器有一个电磁驱动系统，它驱动测量管以它固有的频率振动，这就形成了一个转动参照系，它的振动与调谐振音叉相类似。当一个位于旋转体内的质点作朝向或远离旋转中心的运动时，将产生一惯性力，图3.2.2表示这一原理。图3.3.2旋转管道中的科氏力

CMF测量原理——基本理论

Coriolis质量流量计就是将

88当质量为m的质点以匀速V在一个围绕固定点O并以角速度ω旋转的管道移动时，将沿着旋转的法线方向存在一个向心力Fr=ω2r·△m；沿着切线方向质点对管壁也产生一个反作用力，Fc=2ωV·△m，这个力就是Coriolis力Fc=2ωV·△mFc=Coriolis力ω=旋转体的角速度V=质点在旋转体中的经向速度△m=质点的质量上式表明,在旋转角速度一定的条件下,一个质点的Coriolis力的大小与该质量的流速成正比。因此直接或间接测量在旋转管道中的流体所施加的科里奥利力就可以测得质量流量。这就是CMF的基本原理。

CMF测量原理——基本理论

当质量为m的质点以匀速V在一个围绕892、CMF测量原理

以Micromotion的U型振动管为例，对Coriolis质量流量计的测量做定量分析：Micromotion的U型振动管，通常振幅小于1mm，频率大约为80Hz.图3.3.3为振动中的测量管,流体被强制接受管子的垂直动量,在管子向上运动的振动半周期时,流入仪表的流体向下压,抵抗管子向上的力.反之,流出仪表流体存在向上的力,抗图3.3.3振动中的测量管

拒管子对其垂直量的减少而把管子向上推。两个反作用力合成引起流量测量管扭曲；这就是Coriolis效应。在振动的另外半周期，管子向下运动而扭曲方向就相反。图3.3.4显示一个流体，经过一个测量管，有一个质量m和速度V，它以相对O—O轴线的角速度ω旋转。因而产生Coriolis：

CMF测量原理——CMF测量原理2、CMF测量原理

CMF测量原理——CMF测90F=2mωV（1）

式中F和ω是矢量,m包含在长度L测量管中的质量(即半管中的流体质量)。

图3.3.4测量管转动示意图

流体的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果从尾端观看这个测量管是两个引线（在图3.3.4中从R—R轴线看进去），由在入口与出口管线上的流体产生的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。由于管子相对O—O轴振动，这个力产生一个相对于R—R轴的振动力矩M（半径是r）。CMF测量原理——CMF测量原理F=2mωV（1）CMF91M=F1·r1+F2·r2（2）由于F1=F2r1=r2由式子（1）和（2）得出：M=2Fr=4ω·V·m·r(3)质量m是由密度ρ、管截面积A和长度L定义的，速度V是由单位时间的单位L定义的。质量流量qm是由每单位时间内通过的一个给出点质量决定的，那就是m=ρ·A·L及V=L/t、qm=m/t这样通过取代qm

=mv/L式中L是管长,式(3)变成:M=4ω·r·qm·L(4)力矩M产生一个角度偏转即扭转角θ,相对于R—R轴线。这扭转角在振动管移动的中点最大(图3.3.5所示)图3.3.5由测量管尾端所显示泊流体力

CMF测量原理——CMF测量原理M=F1·r1+F2·r292然而，由M产生的偏转被测量管的伸展弹力K所抵制，总之，对于任何的扭转弹力，扭矩T定义为T=Kθ（5）由于T=M，现在通过组合（4）与（5）式，质量流量qm能与偏转角度θ联系成相关式子。

Kθqm=（6）4ω·r·L在管子轴线中心的移动速度Vt（线速度）乘以时间间隔△t，就与用几何图形3.3.5表示的θ有关系。

Vt·△tSinθ=（7）2rCMF测量原理——CMF测量原理然而，由M产生的偏转被测量管的伸93由于θ很小，它几乎等于Sinθ,对于小的旋转角Vt是ω和管长L的乘积，那就是θ=Sinθ、Vt=ωL，这样式（7）变成：

ω·L·△tθ=（8）2r综合式（6）和（8）得出：

K·ω·L·△tKqm==△t（9）8r2ω·L8r2CMF测量原理——CMF测量原理由于θ很小，它几乎等于Sinθ,对于小的旋转角Vt是ω94这样质量流量计qm只与时间差△t和几何常数成比例，qm与ω无关，所以说与测量管的振动频率无关。质量流量通过用电磁感应器测量偏转角θ获得，如图3.3.6所示，在横穿于测量管的中心轴线上的感应器，按一个时间函数测量θ，当没有流量时，在测量和轴线左右之间转角θ为零，时间差△t即是0。而随着流量的增加引起θ增加，时间差△t也增加。而这个时间差△t可以通过安装在U形管端部的两个位移检测器所输出的电压的相位差测量出来，传送到仪表的变送器进行处理转换。

CMF测量原理——CMF测量原理这样质量流量计qm只与时间差△t和几95图3.3.6测量管扭转的完整周期

CMF测量原理——CMF测量原理CMF测量原理——CMF测量原理96CMF测量原理——信号处理系统

3、信号处理系统

在流量传感器工作过程中，测量管弹性系统始终处于谐振状态。没有测量管的振动，就没有科氏力的发生，质量流量传感器就停止了工作。

CMF测量原理——信号处理系统3、信号处理系统97CMF测量原理——信号处理系统大多采用电磁法检测相位差的变化。其原理如图3.3.7所示，两个检测线圈分别位于其中一根测量管两侧对成位置上，在另一根测量管响应位置上固定着两块永久磁铁。根据电磁感应原理，测量管震动过程中在检测线圈回路里形成相对速度变化的交变电势。当测量管中无流体流动时，测量管进出口侧通过振动中心位置的时间相同，其产生的交变电势相位亦相同；当测量管中有流体流动时，测量管进、出口侧通过振动中心位置的时间不同步，因而产生的交变电势的相位便有了一个差值。CMF测量原理——信号处理系统大98质量流量计测量原理与应用课件99CMF测量原理——信号处理系统

除图3.3.7所示的信号处理电路之外，目前大多数弯管型质量流量计也都采用了以微处理器为核心的信号处理电路，其电路框图的一般形式如图3.3.8所示．在图3.3.8中，由左、右侧电磁式检测器L、R的测得二列电压正弦信号分别经本安电路到隔离放大器A1、A2进行放大。

CMF测量原理——信号处理系统除图3.3.7所示的信号100CMF测量原理——信号处理系统同时，由左侧信号检测器L输出的电压正弦信号经隔离放大器A2放大，再经驱动放大器放大后，给驱动线圈提供激励电流，由电磁驱动器激励测量管振荡。而该振动信号又被信号检测器所拾取，从而有信号检测器、放大器和电磁驱动器构成一个正反馈回路，维持测量管振动系统的自激振荡。为了保持测量管的稳幅振动，在驱动放大器上接有负反馈AGC自动增益控制电路,在AGC自动增益控制电路中u2与基准电平相比较，输出一幅值稳定的控制信号到激励线圈，使电磁驱动器驱动测量管以激励频率振动。CMF测量原理——信号处理系统同时，101CMF测量原理——信号处理系统

左、右侧电磁式检测器L、R的检测信号，经隔离放大器A1、A2放大后，进入信号处理电路，信号处理电路在微处理器的配合下，得到左右检测信号的相位差或时间差△t，这个时间差与质量流量成线性关系。同时，信号处理电路根据其输入信号u1和u2得测量管的振动频率信号。测量管的振动频率是流体密度的函数，随流体密度增大而减小。微处理器根据检测信号的时间差△t和检测信号的频率f，解算出流体的质量流量和密度。

CMF测量原理——信号处理系统左、右侧102CMF测量原理——信号处理系统此外，质量流量传感器中的温度检测元件一般为帖附在测量管进口端管壁上的铂电阻。铂电阻由恒流源供电，并取会铂电阻的端电压，由电压变换电路处理产生电压UR

。微处理器根据电压UR

解算出测量管的温度值，并对由测量管管材的弹性模量随温度变化所引起的质量流量和密度测量的温度结构误差予以修正。由微处理器直接驱动电流环和频率环部件，分别输出0/4~20mA标准电流信号和频率信号，标准电流和频率信号所代表的被测量和范围均可以组态。

CMF测量原理——信号处理系统此外103CMF测量原理——信号处理系统图3.3.8信号处理系统框图

CMF测量原理——信号处理系统图3.3.8信号处理104科里奥利质量流量计的应用

(一)科里奥利质量流量计的应用优势(二)科里奥利质量流量计选型

(三)科里奥利质量流量计检定

(四)科里奥利质量流量计安装和调试

(五)结束语科里奥利质量流量计的应用(一)科里奥利质量流量计的应105

科里奥利质量流量计的应用优势(一)科里奥利质量流量计的应用优势

1)

高精度流量测量：目前世界