科里奧利質量流量計原理(1)

日期:2022-07-29 05:33
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摘要:

科里奧利質量流量計(以下簡稱CMF)是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉系中,產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接測量質量流量的儀表。

  

  20世紀70年代后期商品化實用性CMF由美國Micro Motion公司首先推向市場,到80年代中后期各國儀表廠相繼開發。迄1995年,世界已有40家以上推出各種結構的CMF,世界范圍裝用量估計在18萬~20萬臺之間。1995年世界年銷售量估計在4萬~4.5萬臺之間。

  

  在我國CMF應用起步較晚,從80年代中期引進成套裝置附帶進口少量儀表開始,到技術改造所需單臺進口,迄1997年估計裝用量在3500~4500臺之間。1997年我國已有4家制造廠自行開發CMF供應社會,如太行儀表廠已有完整的LZL系列,還組建有幾家合資企業引進國外技術生產系列儀表。

  

1. 原理與結構

  

  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αr,其量值等于ω2r,朝向P軸;  

  ② 切向角速度αt,即科里奧利加速度,其值等于2ωV,方向與αr垂直。由于復合運動,在質點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm,管道對質點作用著一個反向力-Fc=-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Δχ的管道將受到一個切向科里奧利力ΔFc ,

  

  ΔFc=2ωVρAΔx (1)

  

  式中A--管道的流通截面積,由于質量qm=ρVA,所以

  

  ΔFc =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。

  

  然而,通過旋轉運動產生科里奧利力是困難的,目前CMF均代之以管道振動產生,即由二端固定的薄壁測量管,在中點處以測量管諧振或接近諧振的頻率(或其高次諧波頻率)所激勵,在管內流動的流體產生科里奧利力,使中點前后兩半段產生方向相反的橈曲,用電磁學(或光學),方法檢測橈曲量以求得質量流量。

又因流體密度會影響測量管的振動頻率,而密度與頻率有固定的關系,因此CMF也可測量流體密度。  

  CMF由流量傳感器和轉換器(或流量計算機)兩部分組成。圖2為流量傳感器一例,主要由測量管及其支撐固定橋架,測量管振動激勵系統中線圈A或檢測探頭B,修正測量管材料楊氏模量溫度影響的測溫元件等組成。轉換器主要由振動源單元、信號檢測和信號處理單元等組成;流量計算則還有組態設定、工程單位換算、信號顯示和與上位機通信等功能。

  

2. 優點

  

  (1)直接測量質量流量,有很高的測量**度。

  

  (2)可測流體范圍廣,包括高粘度液的各種液體,含有固形物的漿液,含有少量均勻分布氣體的液體,有足夠密度的氣體(壓力較高的氣體)。

  

  (3)測量管的振幅小,可視作非活動部件;測量管內無阻礙件或活動件。

  

  (4)對迎流流速分布不敏感,因而無上下游直管段要求。

  

  (5)流量測量值對流體粘度不敏感,流體密度對流量測量值的影響極微。

  

  (6)一臺CMF可作多參數測量。測質量流量的同期可測流體密度和溫度,還可衍生測量體積流量、溶質濃度、液固雙相流體(或不相溶雙組分液體)異相(或異成分)的含量。

  

3. 缺點

  

  (1)有相當一部分CMF設計流速很高,產生較大的壓力損失。有些型號CMF的壓力損失比容積式儀表大100%。

  

  (2)當前CMF的*大口徑為150mm,不能用大管徑測量。相當部分型號CMF的重量和體積較大。

  

  (3)只能用于中高壓氣體,不能用于低壓氣體。一般認為現有CMF氣體壓力不能低于0.1MPa。因為低壓氣體密度很低,質量流量很小,不能達到產生足夠可檢測的科里奧利力。

  

  (4)液體中氣泡含量超過某一界限會顯著影響測量值。

  

  (5)對外界振動干擾較敏感。為防止管道振動影響,相當一部分型號CMF的流量傳感器安裝要求較高。

  

  (6)價格較貴。

  

4. 分類

  

   CMF發展到現在已有30余系列,其主要區別在于流量傳感器測量管結構上的**;提高儀表精度、穩定性、靈敏度等性能;增加測量管橈度、改善應力分布、降低疲勞損壞;加強抗振動干擾能力等。因而,測量管出現了多種形狀結構,因此本節僅就不同角度作分類和討論:

  

  按測量管形狀分類,有彎曲形和直形;

  

  按測量管段數分類,有單管型和雙管型;

  

  按雙管型測量管段的連接方式分類,有并聯型和串聯型;

  

  按測量管流體流動方向和工藝管道流動方向間布置方式分類,有平行方式和垂直方式。

  

4.1 按測量管形狀分類

  

  (1)彎曲形:首先投入市場是U字型,現在已開發并繼續生產的形狀有Ω字型、S字型、B字型、圓環型、長圓環型等。設計成彎曲形狀是為了降低剛性,與直形管相比可以采用較厚管壁;但易積存氣體和殘渣而引起附加誤差。

  

  (2)直形:直形測量管CMF不易積存氣體及便于清洗。垂直安裝測量漿液時,固體顆粒不易在暫停運行時沉積于管內。流量傳感器尺寸小,重量輕,但管壁相對較薄,測量值受磨蝕影響相對顯著。但近年原制造彎曲形CMF的企業紛紛開發直管形,直管形系列有增加的趨勢。

  

4.2 按測量管段數分類

  

  這里所指測量管段是流體通過各自振動并檢測科里奧利力劃分的獨立測量管。

  

  (1)單管型:初期開發的產品是單管型,因易受外界振動干擾影響,后多趨向于雙管型以相互抵消振動影響。但近年開發新型號又有轉向單管的趨勢。

  

  (2)雙管型:雙管型可降低外界振動的敏感性,容易實現相位差的測量。

  

4.3 按雙管型測量管段的連接方式分類

  

  (1)并聯型:流體流入傳感器后經上游管道分流器(mainfold)分成兩路進入并聯的兩根測量管段,然后經與分流器形狀相同的集流器進入下游管道。分流器要盡可能等量分配,但使用過程中分流器沉積粘附異物或磨損會改變原流動狀態,引起零點飄移,產生附加誤差。

  

  (2)串聯型:流體流過**測量管段經導流塊引入**測量管段。本方式不會產生因分流變化所引起的缺點,適用于對切變敏感的流體。

  

4.4 按測量管流體流動方向和工藝管道流動方向間布置方式分類

  

  (1)平行方式:測量管的布置使流體流動方向與工藝管道流動方向平行,采用這種方式的型號較多。

  

  (2)垂直方向:測量管道布置得與工藝管道垂直,流量傳感器整體不在管道振動干擾作用的平面內,抗管道振動干擾的能力強。

浙公網安備 33010402003487號

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