科氏质量流量计|原理及选型注意事项

科氏质量流量计测量精度高, 测量不受介质物性影响, 无上、下游直管段长度的要求。而且科氏质量流量计是智能化程度很高的仪表, 其变送器除了能够显示和输出质量流量, 还能输出转化为4m A~20m A信号、脉冲信号或者总线信号的体积流量、密度、温度、粘度和浓度等过程参数。所以科氏质量流量计被广泛应用于化学、制药、能源、橡胶、造纸、食品等各工业部门, 在配比、装车和贸易交接中相当适用。

科里奥利效应 (Coriolis effect) 是指如果一个物体是静止的, 或者相对于某一固定点作恒速运动, 那么, 在这个物体上运动是不会出现什么问题的。如果想从物体一端的A点沿着一条直线走到另一端的B点, 在走的过程中不会感到有任何困难。但是, 如果一个物体的不同部分以不同的速度运动, 那么, 情况就大不一样了, 假定有一个旋转游戏台或者任何一个绕其中心旋转的平台。整个平台的整体在旋转, 但在中心附近的一点画出一个小圈, 因而在缓慢地运动, 而靠近外缘的一点则画出一个大圈, 因而在快速地运动。如图1所示。

图1 科里奥利效应Fig.1 The coriolis effect 

科里奥利力 (Coriolis force) 在有些地方也被称作哥里奥利力, 简称为科氏力, 是对旋转体系中进行直线运动的质点由于惯性相对于旋转体系产生的直线运动的偏移的一种描述。科里奥利力来自于物体运动所具有的惯性。

科里奥利质量流量计 (简称科氏力流量计) 是一种利用流体在振动管中流动而产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理来直接测量质量流量的仪表。

根据科里奥利效应的原理, 如果要产生科里奥利力, 必须要具备两个条件: (1) 旋转坐标系; (2) 作直线运动的介质。根据这两个条件, 质量流量计必须人为地建立一个旋转体系, 以双“U”型测量管传感器为例, 用电磁驱动的方法使“U”型测量管的回弯部分作周期性的微小振动。这相当于使“U”型管绕一个固定轴 (OO轴) 作周期性时上时下的旋转, 其旋转方向周期性的变化, 像钟摆一样运动。“U”型管的出入口段被固定, 这样就建立一个以“U”形管出入口段为固定轴的旋转体系。

U形管的两个开口端固定, 流体由此流入和流出。U形管顶端装有电磁激振装置, 用于驱动U形管, 使其铅垂直于U形管所在平面的方向以O-O为轴按固有频率振动 (图2A) 。U形管的振动迫使管中流体在沿管道流动的同时又随管道作垂直运动, 此时流体将受到科氏力的作用, 同时流体以反作用力作用于U形管 (图2 B) 。由于流体在U形管两侧的流动方向相反, 所以作用于U形管两侧的科氏力大小相等方向相反, 从而使U形管受到一个力矩的作用, 管端绕R—R轴扭转而产生扭转变形 (图2 C) , 该变形量的大小与通过流量计的质量流量具有确定的关系。因此, 测得这个变形量, 即可测得管内流体的质量流量。测量管连续地以固定的振动频率进行振动, 振动频率随流体的密度变化而变化。因此, 共振频率是流体密度的函数, 由此可得对应的密度输出。

图2 科氏质量流量计测量管振动示意图Fig.2 Schematic diagram of measuring tube vibration of coriolis mass flowmeter

图3 科氏质量流量计结构组成Fig.3 Structure composition of coriolis mass flowmeter 

科氏质量流量计由传感器和变送器两大部分组成。其中传感器用于流量信号的检测, 主要由法兰、分流器、流量管、驱动线圈、检测线圈和驱动、检测磁钢、外壳构成;变送器用于传感器的驱动和流量检测信号的转换、运算及流量显示、信号输出, 主要由电源、驱动、检测、显示、输出等部分电路组成。

流量管中带有的Pt100温度电极, 测得流体温度。测量出的温度, 用于在线流量测量时对测量管的温度补偿, 也可作为独立的温度信号输出。

U型流量管与分流器、隔振固定板, 采用真空焊接而成, 如图3所示。

科氏质量流量计有很多种类, 按测量管数量可分为单管型和双管型;按测量管形状可分为弯曲形和直形, 弯曲形的测量管也分U形、Ω字形、三角形、直管等 (如图4所示) ;按测量管材质分有316L、904L、哈氏C-22合金、钛、钽等;按流量计安装方式分有法兰、螺纹、卡箍、Swagelok等。

图4 科氏质量流量计类型Fig.4 Type of coriolis mass flowmeter 

根据工程实际情况和技术参数, 从满足用户需求和节约成本的方面综合考虑, 选择合适的形状、材质、公称通径、公称压力和安装方式的质量流量计, 主要注意以下几方面:

质量流量计测量介质的不同, 主要会影响到流量计的口径、精度、材质等方面。

主要是分为气体、液体 (特殊情况下还会出现气液两相) 。会涉及到仪表的精度要求以及口径、流量管材质方面。

气体一般情况下为0.5%, 而液体一般为0.2%, ***高为0.1%。

每个厂家的流量计特定口径都会对应相应的流量量程, 在满足用户流量测量的同时, 还要考虑到介质的粘度, 这项指标涉及到后面提及的压损。有时会选择较大口径的传感器, 用以满足用户对压损的要求。

主要考虑介质的腐蚀性, 往往需要查询腐蚀手册, 根据介质特性选择对应抗腐蚀的材质, 以延长流量计的使用寿命。需要注意的是提供的指南仅作参考之用。流体属性 (例如, 温度、浓度、杂质量等) 的微小改变, 更可能会影响接液部件的相容性。材料相容性选择由***终用户全权负责。

这两个技术参数涉及到了流量计能否正常应用, 以及安全的问题。

一般情况下, 超过180℃, 选型为分体型, 并且传感器相关的元器件选用高温型的, 其余情况下可以选择为一体型;如果高温情况下选型为一体型, 流量计的电子元件会因为高温的原因损坏, 从而造成流量计的故障。

质量流量计的流量管和法兰都会有一定的承受压力, 比如法兰有1.6MPa、2.5MPa、4MPa、6.3MPa等, 流量管有10MPa, 35MPa等, 选型时流量计的流量管压力以及法兰的公称压力一定要大于用户的操作压力, 要留出一部分冗余量。

根据用户要求, 结合用户现场情况, 选择防爆和非防爆两种。

一般情况下满足用户流量范围的会有几个口径或者系列, 需要从成本、压损, 缩径等因素同时考虑, 选择***合适的口径。

涉及到精度的方面, 包括介质的状态、需要满足的***大及***小流量等。

科氏质量流量计主要用来测量介质质量流量或者输出计算得出的体积流量, 工艺专业提供的选型参数也只涉及到介质质量流量或者体积流量, 所以会忽略介质流速的影响。科氏质量流量计的测量管振幅微小, 可视为无活动件, 又无阻碍件, 其测量值不受管道内流场影响, 所以可测量各种非牛顿流体以及粘滞的和含微粒的浆液, 而且流量量程比可以很大。但是, 公称通径一定的科氏质量流量计的***大测量值实际是受限制的, 介质流速是一个因素。

注意测量介质流速的问题, 其实也就是注意流量计产生的压损大小的问题。而且, 现在很多科氏质量流量计采用三角形等弯曲形状的测量管, 容易形成“紊流”。所以, 科氏质量流量计可能会产生很大的压损, 压损甚至能高到难以忍受 (0.1 MPa~0.2MPa) 。另外, 很大的压损也容易造成“气蚀”现象, 损害流量计的测量管。

综上所述, 科氏质量流量计选型时, 需要考虑其压损是否被整个工艺流程所允许。要求限制压损, 也就限制了在公称通径一定下的介质流速上限范围;或者在保证介质质量流量或体积流量上限的要求下, 选择大一级的公称通径, 扩大流通面积。另外, 流量计公称通径小, 测量精度高, 价钱也相对便宜;公称通径大, 虽然流量计压损减小, 但是测量精度降低, 采购费用增加。所以需要在精度和压损之间取得平衡, 计算出***合适的公称通径。

在选型的同时, 还要关注用户***初管道的尺寸, 在根据其他技术参数选择相对应的口径时, 考虑到压损和现场施工等方面因素, 同时也要兼顾缩径的问题。一般情况下管径可以缩径一级, ***多缩径为管道口径的一半, 比如用户管道口径为DN80, 则选择流量计的口径***小可以为DN40。有时也会碰到特殊情况, 即如果为保证缩径要求, 从流量上无法满足精度要求的话, 需要和用户进行协商, 确认好现场的情况和要求。

有些时候, 比如测量含水原油时, 用户往往需要知道含水量等数据, 这就要求选择的质量流量计含有浓度测量的功能。其他的需求比如双电流输出, 带有RS485、HART、Profibus DP/PA通讯等。

如何更好地使用质量流量计, 使其在生产中更好地发挥作用, 依然需要积累更多的经验, 进行更好地分析和改进, 以上内容希望能够给相关单位和人员以参考。