質量流量計測量原理與應用

質量流量計測量原理與應用質量流量計測量原理與應用

——質量流量計基本概念

(一)儀表定義

(二)儀表分類

(三)儀表的測量特性

(四)儀表測量的不確定度

第2頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

質量流量計基本概念

——儀表定義

質量流量計是對被測介質的流量進行連續(xù)測量，測量結果是以公斤或噸等工程單位顯示出來的流量儀表。

第3頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

質量流量計基本概念

——儀表分類

質量流量計是一種推理式流量計，按測量方法可以分為二大類：一是質量流量間接式測量，即同時測量流體的體積流量和密度值，由運算放大器計算得到流體質量，或是同時測量流體的體積流量和溫度、壓力值，利用流體密度與溫度、壓力之間的關系，計算出流體質量；二是質量流量直接式測量方法，流體測量直接反映質量流量值，與流體的溫度、壓力和密度等參數(shù)的變化無關。

第4頁,共53頁，2024年2月25日，星期天質量流量計基本概念——儀表分類

1、間接式質量流量計（1）

壓力溫度補償式差壓流量計（2）

壓力溫度補償式體積流量計2、直接式質量流量計（1）

熱式質量流量計（TMF）（2）

沖量式質量流量計（沖板）（3）

差壓式質量流量計（孔板+定流量泵）（4）

雙渦輪式質量流量計

（5）科里奧利式

第5頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

質量流量計基本概念

——儀表的測量特性儀表的測量特性(靜態(tài)特性和動態(tài)特性)靜態(tài)特性：是指被測量的值處于穩(wěn)定狀態(tài)時的輸入與輸出的關系。對靜態(tài)特零性的基本要求是：輸入為零輸出亦為，輸出與輸入成惟一的對應關系。表征靜態(tài)特性的參數(shù)有：靜態(tài)變換函數(shù)、靜態(tài)特性曲線、儀表系數(shù)、流出系數(shù)、流量范圍（量程）、線性度、靈敏度、遲滯、穩(wěn)定性、零漂、重復性、精確度和壓力損失等。第6頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

質量流量計基本概念

——儀表的測量特性動態(tài)特性

是指被測量對象的輸入值瞬態(tài)快速變化時，輸出值的時間響應或頻率響應特性。（1）

時間域被測對象輸入值為階躍信號時，輸出值的時間響應特性。其品質指標可用時間常數(shù)表示。時間常數(shù)是指輸出值達到63%穩(wěn)態(tài)值時的時間，用S表示。（2）

頻率域

被測對象輸入值按正弦波頻率變化時，輸出值的頻率響應特性。流量計的輸出值與輸入值的比值隨頻率而變化的特性稱為頻率響應特性。

第7頁,共53頁，2024年2月25日，星期天質量流量計基本概念

—儀表測量的不確定度

1、測量誤差組成流量測量誤差出現(xiàn)的特點可分為系統(tǒng)誤差、隨機誤差和疏忽誤差。

2、測量的不確定度

（1）

標準不確定度的A類評定（2）

標準不確定度的B類評定（3）

合成標準不確定度（4）

擴展不確定度（5）測量不確定度計算與表示

3、流量測量的不確定度

首先求的各參數(shù)A類和B類不確定度，然后進行合成標準不確定度和擴展不確定度的計算。

第8頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

質量流量測量技術的發(fā)展

羅斯蒙特質量流量計在20世紀90年代初廣泛應用于石化等領域，是當今世界上最先進的流量測量儀表，在大慶石化分公司水氣廠（以下簡稱水氣廠）主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠，精度高達1.7‰，為水氣廠的能源、物料的流量測量提高了準確度，避免了不必要的損失，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。第9頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計典型結構和工作原理

（一）概述

（二）CMF基本結構

（三）CMF測量原理

第10頁,共53頁，2024年2月25日，星期天從1950年開始，科學家和工程師們花費了許多年試驗、開發(fā)質量流量儀表，借此消除容積測量的誤差及昂貴不便的稱重法。在1970年后James.E.Smith—美國高準（MicroMotion）公司的創(chuàng)始人成功地開發(fā)了第一個可應用于工業(yè)的質量流量計，科里奧利質量流量計，它是根據(jù)科里奧利[Coriolis]效應原理研制而成的。1984年James.E.Smith將所發(fā)明的“U”型振動管式的科里奧利質量流量計(CoriolisMassFlow—CMF)投入市場。之后各國儀表廠相繼開發(fā)生產(chǎn)。我國CMF的應用起步較晚，設計生產(chǎn)CMF的廠家僅有太行儀表廠等，還有幾家制造廠組建合資企業(yè)采用國外技術組裝生產(chǎn)銷售質量流量儀表。

科里奧利質量流量計典型結構和工作原理

--概述第11頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計一般由流量傳感器和流量變送器組成。

1、流量傳感器

流量傳感器是一種基于科里奧利力效應的相位敏感型諧振式傳感器。該傳感器由振動管、信號檢測器、震蕩驅動器、支撐結構和殼體所組成。

科里奧利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF基本結構第12頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

圖3.2.1雙U型管質量流量傳感器結構示意圖圖3.2.2雙直型管質量流量傳感器剖面圖

科里奧利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF基本結構第13頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF基本結構

2、流量變送器

是以微處理為核心的電子系統(tǒng)。它用來向傳感器提供驅動力，并將傳感器的信號轉化為質量流量信號及其他一些有意義的參數(shù)信號，同時具有根據(jù)溫度參數(shù)對質量流量和密度測量進行補償、修正的功能。流量變送器一般輸出標準電流信號或頻率信號，并可按一定的通訊協(xié)議，實現(xiàn)與上位機和DCS系統(tǒng)的交聯(lián)與遠傳通訊。變送器上的顯示面板可以組態(tài)顯示所要求的各種參數(shù)。

有的流量變送器，沒有顯示面板和操作鍵盤，只有模擬量或頻率量輸出。在實際應用中需要另外配備二次儀表和手操器實現(xiàn)參數(shù)顯示、流量累積和操作組態(tài)。

第14頁,共53頁，2024年2月25日，星期天變送器與傳感器連接第15頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700CIO（可組態(tài)）型變送器

輸出接線示意圖第16頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

3、流量傳感器的測量管結構形式科里奧利質量流量傳感器的測量管有各種不同的結構形式：（1）按照測量管的數(shù)量可將其分為單管型、雙管型和連續(xù)管型三種結構。

（2）按照測量管的形狀可分為直管型和彎管型兩大類。

目前，科里奧利質量流量傳感器的檢測振動管管形已發(fā)展到二十多種。無論振動管形狀如何，基本原理是一致的，都是根據(jù)Coriolis效應原理測量流量質量的?？评飱W利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF基本結構

第17頁,共53頁，2024年2月25日，星期天圖3.2.3典型的測量管管型圖

科里奧利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF基本結構第18頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF基本結構不同測量管結構都有優(yōu)點和缺點2、彎管式：容易起振，測量管壁可以做的很厚，振動頻率可以降低，儀表壽命增加：加工復雜，不能自然排空。1、直管式：加工簡單，容易制造，并能自然排空；測量管壁薄，或用高頻起振，這樣會使測量管壽命縮短。3、單管式：不用分流，零點穩(wěn)定；磁系統(tǒng)分別裝在測量管和基體上，很容易受到外來振動干擾。4、磁系統(tǒng)裝在兩根測量管上，不易受外來干擾；需將流體分流，分流不均會造成零點變化。第19頁,共53頁，2024年2月25日，星期天CMF測量原理

1、基本理論

2、CMF測量原理

3、CMF密度檢測原理科里奧利質量流量計

典型結構和工作原理-CMF測量原理第20頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

CMF測量原理——基本理論質量流量計的關鍵人物古斯塔維德科里奧利牛頓爵士第21頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

CMF測量原理——基本理論

1、基本理論

Coriolis效應是一種自然現(xiàn)象，于1835年在巴黎可爾[Ecole]工業(yè)大學的數(shù)學教授Gaspard.GustavedeCoriolis定量的。Coriolis效應可解釋在地球表面上自由運動的物質為什么會看似彎曲運行在一個轉動參照系中當一個物體相對于該系而平移時，除了向心力外還有另一個附加力作用在該物體上，這個力稱為Coriolis力。例如設參照系是一個以恒定角速度繞軸O而轉動的圓盤（圖3.3.1），其轉動方向圖中矢量所示，當一個物體以速度V’沿半徑運動時，就有一個“慣性力”FK=2V’

·ωm作用于該物體上，此力的方向垂直于V’，力FK就是Coriolis力，此力即依賴于物體相對于轉動參照系的速度V’，也依賴于參照系轉動的角速度ω。

第22頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

Coriolis質量流量計就是將永恒的旋轉運動變成了振動在檢測器有一個電磁驅動系統(tǒng)，它驅動測量管以它固有的頻率振動，這就形成了一個轉動參照系，它的振動與調(diào)諧振音叉相類似。當一個位于旋轉體內(nèi)的質點作朝向或遠離旋轉中心的運動時，將產(chǎn)生一慣性力，圖3.2.2表示這一原理。

CMF測量原理——基本理論

第23頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2、CMF測量原理

以Micromotion的U型振動管為例，對Coriolis質量流量計的測量做定量分析：Micromotion的U型振動管，通常振幅小于1mm，頻率大約為80Hz.圖3.3.3為振動中的測量管,流體被強制接受管子的垂直動量,在管子向上運動的振動半周期時,流入儀表的流體向下壓,抵抗管子向上的力.反之,流出儀表流體存在向上的力,抗圖3.3.3振動中的測量管

拒管子對其垂直量的減少而把管子向上推。兩個反作用力合成引起流量測量管扭曲；這就是Coriolis效應。在振動的另外半周期，管子向下運動而扭曲方向就相反。圖3.3.4顯示一個流體，經(jīng)過一個測量管，有一個質量m和速度V，它以相對O—O軸線的角速度ω旋轉。因而產(chǎn)生Coriolis：

CMF測量原理——CMF測量原理第24頁,共53頁，2024年2月25日，星期天F=2mωV（1）式中F和ω是矢量,m包含在長度L測量管中的質量(即半管中的流體質量)。

圖3.3.4測量管轉動示意圖

流體的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果從尾端觀看這個測量管是兩個引線（在圖3.3.4中從R—R軸線看進去），由在入口與出口管線上的流體產(chǎn)生的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。由于管子相對O—O軸振動，這個力產(chǎn)生一個相對于R—R軸的振動力矩M（半徑是r）。CMF測量原理——CMF測量原理第25頁,共53頁，2024年2月25日，星期天M=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)質量m是由密度ρ、管截面積A和長度L定義的，速度V是由單位時間的單位L定義的。質量流量qm是由每單位時間內(nèi)通過的一個給出點質量決定的，那就是m=ρ·A·L及V=L/t、qm=m/t這樣通過取代qm

=mv/L式中L是管長,式(3)變成:M=4ω·r·qm

·L(4)力矩M產(chǎn)生一個角度偏轉即扭轉角θ,相對于R—R軸線。這扭轉角在振動管移動的中點最大(圖3.3.5所示)圖3.3.5由測量管尾端所顯示泊流體力

CMF測量原理——CMF測量原理第26頁,共53頁，2024年2月25日，星期天CMF測量原理——密度檢測原理

密度測量原理流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結構可看做一重物懸掛在彈簧上構成的重物/彈簧系統(tǒng)，一旦被施以一運動，這一重物/彈簧系統(tǒng)將振動在它的諧振頻率上，這一諧振頻率與重物的質量有關。質量流量計的流量管是通過驅動線圈和反饋電路振動在它的諧振頻率上，振動管的諧振頻率與振動管的結構、材料及質量有關，振動管的質量由兩部分組成：振動管本身的質量和振動管中介質的質量，1臺傳感器生產(chǎn)好后振動管本身的質量就確定了。振動管中介質的質量=密度×振動管的體積。因而，由測量的管道頻率可推出流體密度。變送器用一個高頻時鐘來測量振動周期的時間，測量值經(jīng)數(shù)字濾波，對于由操作溫度導致管道鋼性變化，進而引起的固有頻率的變化進行補償后，用傳感器密度標定系數(shù)來計算過程流體密度。

第27頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計的應用

(一)科里奧利質量流量計選型(二)科里奧利質量流量計檢定

(三)

2700/1700面板操作

(四)質量流量計的安裝

(五)質量流量計的使用和維護

(六)結束語第28頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計選型（二）科里奧利質量流量計選型流量儀表選型，首先要根據(jù)測量目的以及被測介質的性質、流體的流量范圍、工藝條件下的流體參數(shù)、安裝環(huán)境條件等各方面的因素，選用不同類型的流量計。

第29頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計選型1、選型原則（1）

根據(jù)被測流體的類型選擇流量計的結構（2）

安全性原則（3）

流量范圍（4）

準確度（5）

壓力損失（6）

其他性能因素（7）

性能價格比第30頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計選型2、選型方法科里奧利質量流量計的選型方法有手工計算法和軟件法兩種。具體方法與步驟：（1）

填寫工藝操作條件a、流體名稱及性質b、流體狀態(tài)（液態(tài)、氣態(tài)、漿液或其他形式）c、工藝狀況下的流量（最大、常用、最小值）d、工藝狀況下的壓力（最高、常用、最低值）e、工藝狀況下的溫度（最高、常用、最低值）f、

工藝狀況下的密度范圍g、工藝狀況下的粘度范圍h、工藝管道管徑i、

允許測量誤差j、

允許壓力損失k、

允許最大流速

第31頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計選型

（2）

根據(jù)工藝條件，對照技術指標，預選傳感器型號（3）

計算流量傳感器的壓力損失（4）

計算傳感器測量管內(nèi)的介質流速（5）

計算測量準確度（6）

變送器及二次儀表的選型第32頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計選型

變送器及二次儀表的選型主要考慮以下幾個方面：a、安裝結構形式b、

電源供給方式c、信號輸出方式d、通訊方式及接口選擇e

、根據(jù)測量功能的需要，選擇二次儀表

第33頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計檢定

1、科里奧利質量流量計檢定規(guī)程JJG897—1995《質量流量計檢定規(guī)程》2、科里奧利質量流量計檢定的基本內(nèi)容（1）

外觀（2）

耐壓強度（3）

基本誤差（4）重復性

第34頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計檢定3、檢定方法和設備要求質量流量計的檢定，一般是通過流量標準裝置來進行的，流量標準裝置可分為靜態(tài)法和動態(tài)法兩類。對于液體流量測量的質量流量計常采用液體流量標準裝置進行檢定。其方法有：（1）靜態(tài)稱量（質量）法用“質量法液體流量標準裝置”，在測量時間間隔內(nèi)，經(jīng)換向器進入稱量容器的液體質量。（2）靜態(tài)容積加密度計法用“容積法液體流量標準裝置”，在測量時間間隔內(nèi)，經(jīng)換向器流入定容容器的液體液體體積量，同時測出檢定介質的密度，然后經(jīng)過計算，以求得質量流量。第35頁,共53頁，2024年2月25日，星期天科里奧利質量流量計檢定（3）標準體積管加密度計法用“體積管法液體流量標準裝置”，在測量時間間隔內(nèi)，液體直接流入定容容器—標準體積管，同時測出檢定介質的密度，然后經(jīng)過計算，以求得質量流量的方法。（4）標準表法即以標準流量計為標準與被檢質量流量計進行直接比較。無論采用哪種檢定方法，檢定系統(tǒng)（即流量標準裝置）的準確度應優(yōu)于被檢質量流量計基本誤差限的1/3以上.第36頁,共53頁，2024年2月25日，星期天測量環(huán)境的影響1、流體壓力的影響2、流體密度影響3、流體粘度影響4、雙相流體中異相含量影響5、環(huán)境振動影響6、管道應力影響

第37頁,共53頁，2024年2月25日，星期天實際應用

一、異相流應用CMF主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠，但如果使用不當可導致計量超差甚至中斷計量。在原料輕烴的測量中，由于輕烴介質中組分復雜，即含有固體顆粒，又含有氣泡，屬典型的異相流體，使用過程現(xiàn)故障，變送器顯示的故障信息是Sensor

Error、Dens

Overrng、Slug

flow二、故障信息及處理1、變送器出現(xiàn)Drive

Overrng或Input

Overrange2、變送器出現(xiàn)Sensor

Error3、變送器出現(xiàn)Power

Reset4、變送器出現(xiàn)Zero

Too

High

或Zero

Too

Low第38頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700/1700面板操作一.屏幕顯示說明:SELECT---確認鍵SCROLL----選擇鍵LED---狀態(tài)指示燈二.顯示器密碼:如果需要密碼,CODE的字樣就會出現(xiàn)在密碼屏幕的頂部.輸入密碼時候,通過使用SCROLL來選擇數(shù)字,并用SELECT移到下一個字符,一次只好輸入一個字符.如果你面對顯示器密碼屏幕,卻不知道密碼,在60秒內(nèi)不按下任何顯示器光敏開關.則此密碼屏幕將自動退回到初始屏幕.第39頁,共53頁，2024年2月25日，星期天變送器的顯示器面板結構當前值狀態(tài)LED測量單位過程變量Scroll（滾動）Select（選擇）光敏開關光敏開關光敏開關指示器顯示器由一個液晶顯示器（可選背光顯示器），用以顯示過程變量；一個流量計工作狀態(tài)LED指示燈，用以指示流量計的工作狀態(tài)；兩個光敏按鍵<Scroll>和<Select>以及一個用于按鍵響應指示的LED燈，通過這兩個光敏按鍵可以完成基本的儀表組態(tài)及獲取報警。注：<Scroll><Select>按鍵為光敏按鍵，操作時不要開蓋，在玻璃窗外遮擋住按鍵位置即可完成按鍵操作。2700/1700面板操作第40頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700/1700面板操作調(diào)零步驟:

第41頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700/1700面板操作顯示器回路測試:第42頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700/1700面板操作顯示器查看報警:LED指示燈狀態(tài)及報警查看第43頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700/1700面板操作管理累積量和庫存量:

第44頁,共53頁，2024年2月25日，星期天七:測量單位設置:SELECT+SCROLL按4秒 SEEALARM [SCROLL]OFFLINEMAINTAIN [SELECT] [SCROLL]CONFIG [SELECT] MASS [SELECT]可以按SCROLL選擇你要的單位 選定后按SELECT按SCROLL直到出現(xiàn)EXIT [SELECT]體積單位和密度單位設置和上述步驟相同2700/1700面板操作第45頁,共53頁，2024年2月25日，星期天2700/1700面板操作八量程設置(LRVURV)[SELECT+SCROLL]按4秒 SEEALARM [SCROLL]OFFLINEMAINTAIN [SELECT] 繼續(xù)按SCROLL直到出現(xiàn)MAO1[SELECT]SRCMAO1[SELECT]MFLOW[SELECT]SRCMAO1 [SCROLL]4MAO1 輸入最小量程[SCROLL+SELECT]4MAO1 [SCROLL]20MAO1[SELECT] 輸入最大量程[SELECT+SCROLL]20MAO1[SCROLL]EXIT 按SELECT退出.其他量程設置和上述步驟相同.NOTE:SELECT+SCROLL表示兩個鍵同時按下第46頁,共53頁，2024年2月25日，星期天質量流量計的安裝1傳感器應安裝在于管道同一軸線上，且無應力地裝在剛性、被牢固支撐的管道系統(tǒng)上，密封墊片不應突入管道內(nèi)，并避免與毗鄰管道和安裝構架發(fā)生共振。2應在質量流量計傳感器附近做支撐或卡子，決不能用傳感器來支撐管道，這樣可消除震動或噪聲，減少誤差。3為方便維修檢查，應盡量設置旁路，旁路閥門不應泄漏。4流量調(diào)節(jié)閥應安裝在傳感器的下游。第47頁,共53頁，2024年2月25日，星期天4.5安裝地點應遠離大的變壓器或電機，因為傳感器與變送器之間的連接電纜被較強的電磁場所覆蓋或靠近，就會造成干擾，使變送器誤讀傳感器送來的信號而產(chǎn)生誤差。4.6質量流量計可以垂直安裝，也可以水平安裝。但水平安裝時，要根據(jù)流體不同的性質而選擇不同的安裝朝向。當測量液體時，傳感器朝下安裝，當測量氣體或蒸汽時傳感器朝上安裝，也就是要始終保持傳感器管子內(nèi)流體處于充滿狀態(tài)。4.7當測量液體時，對使用在易產(chǎn)生氣泡的場合，需在流量計前安裝放氣孔。質量流量計的安裝第48頁,共53頁，2024年2月25日，星期天

如果不能避免過長的下游管道（一般不大于3m），應多裝一個流通閥。流量計上、下游設置必要的直管段長度，控制閥、檢