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质量流量计
第三篇质量流量计
3.1概述
在石油化工生产过程中,需要及时掌握原料、半成品和成品的流量,以便控制工艺条件,实现安全生产,保证产品产量和质量;同时在企业的经济活动中,必须加强经济核算,严格流体原料和成品的计量,从而给企业创造良好的效益。
所以,测量和控制各种流体介质(液体、气体和蒸汽等)的流量,是石油化工企业一个不可缺少的重要环节。
所谓流量是指单位时间内流过管道某一截面的流体数量,即瞬时流量。
而在某一段时间内所流过的流体流量的总和,即各瞬时流量的累计值,称为总量。
流量可以用体积和质量来表示,分别叫做体积流量(常用Q表示)和质量流量(常用M表示)。
它们之间的关系是:
M=Q×ρ或Q=M/ρ式中ρ—流体的密度。
流量测量有各种方法,根据这些方法制成种类繁多的流量仪表。
目前工业上所用的流量仪表大致可以分为三大类:
1.速度式流量仪表
速度式流量仪表以测量流体在管道内的流速为测量依据。
在已知管道截面积F的条件下,流体的体积流量Q=υ*F。
而体积流量乘上被测介质的重度就得到重量流量,即G=Qγ=υFγ。
属于这一类的流量仪表很多,例如:
差压流量计、转子流量计、涡轮流量计、旋涡流量计、叶轮式水表、靶式流量计、超声波流量计和电磁流量计,等等。
2.容积式流量仪表
容积式流量仪表以单位时间内所排出的流体的管道容积V的数目作为测量依据。
属于这一类的流量仪表有:
盘式流量计、椭圆齿轮流量计、腰轮流量计和双转子流量计等。
如果单位时间内的排出次数是n,则体积流量Q=n*V,而重量流量则是G=Qγ=n*V*γ。
3.质量式流量仪表
在实际生产过程中,重量流量往往会受到被测介质的工作压力、温度、粘度、成分以及相变等等许多参数变化的影响,这样给流量测量带来较大的误差。
因此,为了对流体进行准确计量,需要测量流体的质量流量。
质量流量计就是用来测量流体的质量流量M的。
目前这一类仪表有直接式和补偿式两种。
前者是直接测量单位时间内所流过介质的质量,即质量流量M。
后者是在速度式和容积式流量仪表的基础上,分别测量两个相应参数(如密度、温度、压差和流速等),再通过一定形式的数学运算而间接获得质量流量M。
但是,因为其系统复杂,精度也难以满足要求,所以应用受到一定限制。
这一章,我们仅介绍直接式质量流量仪表。
3.2质量流量计的基本原理
质量流量计是基于科里奥利原理工作的,现在我们来进行讨论。
3.2.1质量流量计的发展历史
早在十九世纪,法国科学家科里奥利(Coriolis)提出科里奥利加速度理论,奠定了质量流量计的理论基础。
本世纪中期,世界各国开始利用科里奥利原理设计质量流量计,但是人们始终未能解决用一个简单的方法,使作直线运动的物体同时处于一个旋转系中的难题。
一直到七十年代中叶,美国的JamesSmith发明了基于振动方法的、结构简单的、将两种运动巧妙地结合起来的振动管式质量流量计,才使得科里奥利质量流量计(简称CMF)的设计走出困境。
在1977年,美国的MicroMotion公司,首先将CMF商品化并推向市场。
二十年来,科里奥利质量流量计获得很大发展。
据统计,从1992到1996年的五年内,界各国CMF的销售额占整个流量仪表销售总额的比例,由9%(1.26亿美圆)上升到16%(2.9亿美圆)。
有人预测,在今后几年,每年还将以25%至30%的速度增加。
科里奥利质量流量计的生产厂家,主要集中在欧美工业发达国家和地区。
美国的RosemountMicroMotion公司,是世界上第一个推出产品,也是最大的生产厂家。
其他著名的公司还有美国的FisherControlEXAC公司、Foxboro公司、SmithMeter公司和SolumBerger公司,德国的Heirichs公司、Endress+Hauser公司、Bopp&Renther公司和Krohne公司,丹麦的Donfors公司以及日本的OVAL公司等。
目前,我国也有一些企业在生产质量流量计,但在质量方面和国外企业比起来仍有些差距。
从九十年代初开始,我国许多石油化工企业纷纷引进CMF,至今已经达到千台以上。
我厂近年也有数十台投入运行。
目前,我国已经有数家仪表制造厂家与外商共同投资,在中国生产直形管、U形管和Ω形管等几个类型的科里奥利质量流量计。
科里奥利质量流量计能够直接地在线测量具有爆炸危险和腐蚀性的流体的质量流量和密度,可以应用于贸易结算、库存量和累积量以及批量控制。
它的出现是流量测量技术领域的一项重大成果,实现了人们长期以来一直追求的高准确度直接测量质量流量的愿望,因而受到仪表行业的普遍欢迎。
毫无疑问,这类仪表将成为今后最重要的流量测量工具。
3.2.2科里奥利原理
科里奥利质量流量计是通过振动管产生科里奥利力,来精确测量流体的质量流量的,流体的密度、粘度。
导电系数、流体状态、操作温度和都不会影响测量的准确度。
当一个位于旋转体内的质点作朝向或远离旋转中心运动时,将产生一个惯性力,如图3-1所示,设质点的质量为m,用匀速V在一个对于固定点O以角速度ω旋转的管内移动,质点m将获得二个加速度的分量:
(1) 法向加速度αr(向心加速度),其量值等于ω2m,方向指向O点;
(2)切向加速度ατ(科里奥利加速度),其量值等于2ωυ,方向与αr垂直。
根据牛顿第二定律在αr方向上作用着科里奥利力FC=2ωυm,管道对质点则作用着一个反作用力-2ωυm。
当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度υ运动时,任何一段长度为△X的管道都将受到一个大小为△FC的切向科里奥利力,其大小为
△FC=2ωυρA△x
式中,A为管道的内横截面积。
设质量为δm,则δm=ρυA,故
△FC=2ωδm△x
所以只要能直接或间接地测量在旋转管道中流动的科里奥利力,就可以测量质量流量,此即CMF的工作原理。
但是,通过旋转运动产生惯性力是个不现实的,在实际的质量流量计设计中,是用管道振动所需的力代替上述的惯性力。
当充满流体的管道以等于或接近于自然频率振动时,维持管道恒定振动所需的驱动力是最小的。
.2.3质量流量计的设计思路
在质量流量计中,一般采用振动管两端固定,而两个固定点中间位置上由电磁振荡器产生振动,这将使管道的两个半段以相反方向振荡旋转。
当一定质量的流体通过测量管流动时,科里奥利力使管道产生扭转振动,使得在测量点处的相对位移有一很小的相位差,它与质量流量成一定的比例关系。
测得这个相位差,就获得了质量流量。
在振荡管两侧,装有电磁位置检测器,它感应产生的电压可以用正弦波表示。
两个检测器产生的电压相位差信号,由电子转换电路放大和整形,转换成与质量流量成比例的电压信号,经过输出电路输出标准信号。
.2.4科里奥利质量流量计的特点
目前,科里奥利质量流量计的国际标准,已经国际标准化组织(ISO)和国际法制计量组织(OIML)讨论通过并正式公布。
这标志CMF已经成为重要的、广泛应用和比较成熟的流量仪表。
而CMF之所以受到如此重视,是由于它确实具有许多其它仪表无可比拟的特点:
1)能够直接测量质量流量,不受温度、压力、粘度和密度等因素的影响,仪表测量精度高。
2)没有可动的机械部件,不会因摩擦或阻尼而影响测量结果,管道内无障碍物,便于清洗。
3)应用范围广泛,除一般介质外,可以测量高粘度流体,甚至含有固体颗粒的浆液,选择适当的型号还能测量腐蚀性介质。
4)对介质的流速分布不敏感,仪表前后不必设置直管段。
5)可以进行多参数测量,在测量质量流量的同时,还能获取体积流量和密度数据。
3.3质量流量计的构成
科里奥利质量流量计测量系统一般由传感器、变送器和显示装置组成。
传感器和变送器通常组合在一起,安装在工艺管道上,而显示装置可以根据需要来决定配置与否。
3.3.1传感器
传感器的敏感元件是测量管。
任何仪表的研制,敏感元件、传感器的开发都是最关键的,世界各国的制造厂家在这方面不惜花费很大功夫。
各厂家的测量管有不同的形状。
如美国的MicroMotion公司和Fisher公司是U形管。
前者已与Rosemount公司合并,成为世界上最大的质量流量计生产厂家,近年又开发出ZS形测量管。
德国Endress+Hauser公司用一形管,或叫直形管;Bopp&Renther公司为扁形管;Krohne公司是S形管;Heirichs、SolumBerger公司用Ω形管。
各种形状的测量管,互有利弊,很难简单地加以评价。
下面,我们以美国RosemountMicroMotion公司的产品为例给以介绍。
图3-4是U形振动管的工作原理。
假设某一时刻U形管向上,则流入U形管的质点m对管道产生向下的推力。
在质点m流出U形管时,它对管道产生向上的推力。
当U形管向下振动时,就产生跟上述情况相反的推力。
这种与流动方向相垂直的科里奥利力,必然导致U形管产生扭曲,其扭矩T可以用下式表示:
T=(ωL)².Qm
式中ω--U形管的振动角频率;
Qm—流体的质量流量;
L—振动管的直管长度;
T—扭矩
传感器测出这个弯曲并把它转变成电信号,信号的大小与流经U形管的质量流量成正比。
振动管在驱动线圈的电磁作用下,以一个固定的频率振动。
流经管道的流体密度不同,振动频率也会不同。
因此,通过测量该振动频率,就可以测量流体的密度。
于是,CMF既可以实现流体质量流量的测量,也可以实现流体的密度的测量,使用十分方便。
RosemountMicroMotion公司的产品主要有D、ELITE(CMF)和BASIS(F)三种系列传感器,前两种已在我厂应用。
1)D系列传感器(图3-9)。
它有标准型、高压型、高温(DT)型、连续管(DL)型和耐蚀镍基合金(Hastelloy)型等品种;有D6一直到D600的众多型号,字母后面的数字代表测量管的尺寸(单位是1/100英寸)。
它的测量范围,D300,约190t/h;D600,约680t/h。
测量精度,流量为±0.15%满刻度,密度为±0.0005g/cc。
2)ELITE(CMF)系列传感器。
它有CMF025、050、100(以上
见图3-10)和CMF200和300(见图3-11)等型号,字母后面的数字也是测量管的尺寸(单位也是1/100英寸)。
它的测量范围,CMF200,约87t/h;CMF300,约272t/h。
其测量精度,流量为±0.1%满刻度,密度为±0.0005g/cc。
MicroMotionE传感器
MicroMotionT系列传感器(直管型流量计
3.3.2变送器
变送器把来自传感器的低电平级信号,转换成4-20mA的标准直流信号,或1-10000HZ的频率信号。
4-20mA的直流信号可以被组态而传送一个流量信号或密度信号,频率信号只能是流量信号。
变送器的输出信号送往可选的显示器或其它终端装置,进行流量的显示或控制。
下面,我们介绍我公司最常用的MicroMotion公司的二种变送器,9739变送器和1700变送器,前者是MicroMotion公司早期推出的产品,后者是最近几年推出的新产品,以下分别介绍这二种变送器。
1)9739变送器
9739变送器是以微处理器为基础的质量流量变送器,可与MicroMotion公司生产的D系列与ELITE系列传感器相配合,形成一个质量流量测量系统。
该变送器除了产生直流电流和频率的模拟信号以外,还产生表示质量流量、质量流量总量、密度和温度的数字信号。
数字信号可以从Rosemount286型SMARTFAMILY智能系列接口或一个HART兼容控制系统中读取。
系统选择RS-485作为数字通信工具。
图3-13是变送器信号处理的流程图。
输入电路测量来自传感器上的左、右速度检测器的信号(图3-14),输入数据经数字滤波以便降低噪音,并提高测量的分辨率。
然后,利用流量校正系统和检测到的温度,把输入数据转换成流量的数据。
驱动电路产生一个使测量管振动的振荡电压,振荡频率即传感器的自然频率。
因此,工艺流体的密度可以根据测出的传感器自然频率来计算。
温度放大器把装在传感器的铂电阻温度装置(RTD)的电阻转化为线形电压(即5mv/℃),以便用于计算数字化、传感器的温度补偿和密度监测系统(DMS)的输出。
温度补偿的分辨率是0.1℃,温度范围为-240至450℃(-400到842℉)。
在简单地加入一个正确的校正系数之后,变送器就很容易和本公司的另一种传感器匹配使用。
另外,MicroMotion公司的变送器通过9芯电缆和传感器相连,9芯电缆用
9种不同的颜色组成,变送器的接线端子上也有和电缆相同的色标,所以很容易连接起来,(如图)变送器和传感器的最大电缆连接长度不能超过300米,否则则要对仪表的正常测量造成影响。
1700/2700操作指南
一、屏幕显示说明
(一)功能键说明
SCROLL旋转键,按该键就可以查看不同的画面或参数
SELECT选择键,也就是确认键,按该键就表示选择的参数或功能有效
(二)显示变量说明
2700最多可以显示15个不同的变量,具体显示哪个变量是根据用户的需求可以选择的,现就用户常用的8个变量做介绍:
1、MassFlowRate—质量瞬时流量,单位可以根据用户的需求设置
2、MassTotal—质量累积量,单位是由瞬时流量的单位决定的,累积量是可以清为零的,具体操作步骤:
通过按SCROLL键,使2700的显示屏幕显示的变量是MassTotal,然后按SELECT键,屏幕上就会显示RESET(复位)键,按SELECT键,屏幕上就显示YES?
,再按SELECT键就将MassTotal清为零了,按SCROLL键就会看到START(开始)键,按SELECT就开始累积,按SCROLL屏幕显示STOP(停止)键,按SELECT键后,累积量就不计数了,如按了STOP键后要使累积量再开始计数就必须再按START键,否则累积量就停止累积,然后按SCROLL键屏幕上就会显示EXIT(退出)键,按SELECT键就退回到屏幕正常显示画面了。
3、Massl—质量库存量,单位和MassTotal相同,这个量是不能清零的,它和MassTotal的区别就是Massl不能清零,而MassTotal是可以清零的。
4、VolumeFlowRate—体积瞬时流量,单位可以根据用户的需求设置。
5、Volumetotal—体积累积量,单位是由瞬时流量的单位决定的,累积量是可以清零的,具体操作步骤:
通过按SCROLL键,使2700的显示屏显示的变量为VolTotal然后按SELECT键,屏幕上就会显示RESET(复位)键,按SELECT键,屏幕上就显示YES?
再按SELECT键就将VOLTotal清为零了,按SCROLL键就会看到START(开始)键,按SELECT就开始累积,按SCROLL屏幕显示STOP(停止)键,按SELECT键后,累积量就不计数了,如按了STOP键后要使累积量再开始计数就必须再按START键,否则累积量就停止累积,然后按SCROLL键屏幕上就会显示EXIT(退出)键,按SELECT键就退回到屏幕正常显示画面了。
6、LVOLl这是体积库存量,单位和VolumeTotal相同,这个量是不能清零的,它和VolumeTotal的区别就是LVOLl不能清零,而VolumeTotal是可以清零的。
7、Temp—温度,单位可以根据用户的需求设置。
8、Dens—密度,单位可以根据用户需求设置。
按SCROLL键就可以查看上述的变量,也可以设置为自动循环显示,即隔某段时间就会显示下一个变量,一直循环。
(需要通过Hart275或ProlinkⅡ软件设置)累积量清零的步骤用方框图表示如下:
先用SCROLL键将显示画面翻到质量累积量或体积累积量的前面
二、零点标定的操作步骤:
在流量计第一次投入使用,或使用后重新安装流量计,都要进行零点标定。
注意:
在做零点标定前,一定要保证流量计里充满物料,前后阀门都关死!
同时按下SCROLL键和SELECT键约4秒钟后,屏幕就会出现这样的画面
然后按SCROLL键屏幕出现画面,然后按
SELECT后,屏幕就会出现这样的画面
如果有报警信息,屏幕就会显示A5或其他代码,在说明书的后面附录就会查到个代码对应的信息。
四、组态
在显示屏幕上可以完成下面的参数设置:
(一)设置变量的单位
体积单位,密度单位,温度单位的设置步骤和质量单位的设置步骤相同!
(二)设置输出变量和量程范围
1、4-20输出的设置
2、频率输出的设置
注意:
以上输入的数据都是用科学计数法表示的,例如3500计为3.500E3。
(三)测试回路
这个功能主要来测试二次仪表或PLC,DCS系统回路显示是否正确。
(四)RS-485通讯设置
报警代码
报警内容
A1
核心处理器EEPROM出错
A2
核心处理器RAM出错
A3
传感器故障
A4
温度超过测量范围
A5
输入信号超过传感器测量范围
A6
变送器没有组态
A7
实时中断信号失败
A8
密度测量值超限
A9
变送器正在启动
A10
现场标定失败
A11
超过校验修正值,流量太低
A12
超过校验修正值,流量太高
A13
干扰信号太大,不能执行零点标定
A14
电子部件故障
A15
数据可能丢失
A16
LineRTD温度超范围(T系列)
A17
CaseRTD温度超范围(T系列)
A18
1700/2700EEPROM出错
A19
1700/2700RAM测试出错
A20
没有输入流量标定系数
A21
不能辨识传感器的类型(K1)
A22
核心处理器的EEPROM组态数据块损坏
A23
核心处理器的EEPROM累积量损坏
A24
EEPROM程序损坏
A25
被保护的根区损坏
A26
传感器与变送器通讯故障
A27
安全模式发生改变
A100
第一路毫安输出饱和
A101
第一路毫安输出已在强制输出状态
A102
驱动超范围
A103
数据可能丢失
A104
正在零点标定过程中
A105
团状流
A106
触发模式有效
A107
电源复位过
A108
事件一被触发
A109
事件一被触发
A110
频率输出已饱和
A111
频率输出处在强制输出状态
A112
请升级1700/2700的软件
3.3.3DRT型数字流量积算器
DRT型数字流量积算器是RosemountMicroMotion公司的产品。
它实际上是一个1:
1的频率计,可以显示5位已滤波流量的瞬时值、峰值和谷值。
显示器还配有两个积算器,其中一个可以通过重设定储存在机内。
积算器可以同本公司任何质量流量计配套使用,接受后者的频率信号。
所有显示都采用高可读性的LCD(液晶显示)。
瞬时流量的显示为5位,测量单位可以是每秒、每分钟、每小时甚至每天,小数点可以移动。
两个可编程报警器用来监视瞬时流量的变化,每个继电器都可以检查流量的高限和低限。
由于具有积算器中断程序,积算器的计数可以暂停而不干扰瞬时流量的显示。
又因为具有正/反向程序,所以仪表既可以显示正向流量,也可以显示反向流量,以及5位瞬时流量数值和流动方向,还能累加正向流量值,减去反向流量值。
实时计时、峰值、谷值和总量信息,以及所有的编程常数都保存在仪表的存储器内,即使仪表断电也不会丧失。
仪表具有工程单位、小数点和系数的设定等功能,能够用触摸键盘或连接计算机接口进行操作和编程。
联机功能可以选择,通过RS-232-C标准接口,以用户可选的7个波特率之一,将瞬时流量和总的状态送入计算机终端或打印机。
当然,如果变送器直接与集散控制系统(DCS)连接,则可以不配置DRT。
3.4实际应用
下面,我们来讨论质量流量计在实际应用中应该注意的问题。
3.4.1安装
因为质量流量计是通过振动方法来测量的,所以仪表安装的方式和环境,管道的应力等因素直接会影响流量测量的准确性。
只有在安装时采取适当的措施,才能减少甚至消除上述不利因素。
安装时应该考虑以下因素
1)正式安装流量计之前,请勿将流量计进、出口的保护套除去,以防杂物进入流量计。
2)安装时应注意流量计外壳上的流向标志。
虽然质量流量可双向测量,但最好依流向标志安装,以防组态时出错。
3)质量流量计上、下游一般无直管段要求。
4)流量计上、下游应装有手动截止阀以方便调零、维护及确护流量计不工作时可处于满管状态。
5)在测量易汽化介质时,流量计下游最好装有压力表,以观察在线压力,用以控制适当的背压,防止汽化。
若在流量计中发生汽化将影响测量精度,甚至影响流量计正常工作。
6)安装方式
虽然传感器的方向不影响测量,但是在安装时仍然需要采取适当的安装方式。
下面是确定安装方式的一般原则(图3-16):
a)测量流量液体时,外壳朝下安装传感器,以避免测量管内积聚空气。
b)在测量气体流量时,外壳朝上安装传感器,以避免测量管积聚冷凝液。
c)如果配置的管道用于液体或气体,特别是浆液流量测量时,可以将传感器安装在垂直管道上,能够避免泥沙或其它微粒在测量管内积聚。
如果工艺管线需要用气体或蒸汽清扫,这种安装方式也便于清扫。
采用这种方式时,为了防止喷流,应该用泵将流体自下而上地输送通过传感器。
7)环境要求
质量流量计安装地点的环境条件有一些要求,为了实现流量的准确测量,必须尽可能满足这些要求。
a)实践证明,传感器和工艺管道的无效振动对测量的稳定性有较大的影响,为此,仪表安装地点不能有大的振动源,同时应该采取相当稳固的措施来固定仪表出入口附近的管道。
b)传感器与管道连接处不应有应力(主要是扭力)的作用,为此要将传感器在自由状态下装在已经支撑好的管道上,再焊接管道,充分保证传感器不受扭力作用和准确的中心定位。
c)由于质量流量计工作时要利用磁场,因此附近不能有任何存在较大干扰磁场的设备,如大型变压器、电机和泵等,至少要保持不少于0.6到1.0米的距离。
两台质量流量计安装在同一管道时,相互间也要离开一段距离。
d)因为远程变送器接受的是低电平信号,所以传感器与变送器的连接电缆不得超过300米,而且应该使用厂家的专用电缆。
电源线,流量计信号线输出信号线应走各自独立的管线以防止互相干扰。
输出信号线最好选用带屏蔽的绞合线。
接线完成应盖紧接线盒盖,并密封穿线孔以防止潮气进入影响测量。
3.4.2量程范围
根据CMF的应用实践,发现它有一个缺点,就是零位漂移。
为了提高CMF的应用水平,这是一个必须认真考虑的问题。
仪表的零位漂移来源于两个因素:
机械振动的非对称性和衰减。
详尽的数学分析说明,影响机械振动对称性的原因,有管端的固定方式(焊接或螺钉连接)、振动管的刚度、双管谐振频率不一致和材料的内衰减等。
流体的粘度和密度的变化也影响仪表的零位,这是由于结构的不平衡造成的。
由粘度引起的振动衰减还与频率有关,因此即使在空管时将双管的谐振频率调整为一致,但是在有流体流动时仍然会发生零位漂移。
综上所述,CMF的零位漂移是由它的测量原理引起的,所以是难以避免的,问题在于这个影响有多少。
设计合理和制造精密的仪表,可以最大限度地减少零位漂移。
由于零位漂移是一个固定值,对于流量下限是不可忽略的。
以MicroMotion的D100型CMF为例,其零位漂移为0.05kg/min,最小量程
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