质量流量计的工作原理

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质量流量测量原理

一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。Rosemount质量流量计依据牛顿第二定律：力=质量×加速度（F=ma）

如图1所示，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个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2ωr，朝向P轴；
（2）切向角速度αt，即科里奥利加速度，其值等于2ωV，方向与αr垂直。由于复合运动，在质点的αt方向上作用着科里奥利力Fc=2ωVm，管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2ωVm。

当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度Δx的管道将受到一个切向科里奥利力ΔFc： ΔFc=2ωVρAΔx （1）

式中，A—管道的流通截面积。

由于存在关系式：mq=ρVA

所以：ΔFc =2ωqmΔx （2）

因此，直接或间接测量在旋转管中流 动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。

传感器内是U型流量管（图2），在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动而对流量管施加一个向下的力；反之，流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏力。
根据牛顿第二定律，流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的（图3）；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差，这一相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。
由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，流量管的振动，以及流过管道的流体的冲力产生了科氏力，致使每个流管产生扭转，扭转量与振动周期内流过流管的质量流速成正比。由于一个流管的扭曲滞后于另一流管的扭曲，质量管上的传感器输出信号可通过电路比较，来确定扭曲量。
电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间的滞后时间。这个“时间差”ΔT经过数字量测量、处理、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时间差乘上流量标定系数来表示质量流量。由于温度影响流管钢性，科氏力产生的扭曲量也将受温度影响。被测量的流量不断由变送器调整，后者随时检测粘在流管外表上的铂电阻温度计输出。变送器用一个三相的电阻温度计电桥放大电路来测量传感器温度，放大器的输出电压转化成频率，并由计数器数字化后读入微处理器。
密度测量原理
流量管的一端被固定，而另一端是自由的。这一结构可看做一重物悬挂在弹簧上构成的重物/弹簧系统，一旦被施以一运动，这一重物/弹簧系统将在它的谐振频率上振动，这一谐振频率与重物的质量有关。质量流量计的流量管是通过驱动线圈和反馈电路在它的谐振频率上振动，振动管的谐振频率与振动管的结构、材料及质量有关。振动管的质量由两部分组成：振动管本身的质量和振动管中介质的质量。每一台传感器生产好后振动管本身的质量就确定了，振动管中介质的质量是介质密度与振动管体积的乘积，而振动管的体积对每种口径的传感器来说是固定的，因此振动频率直接与密度有相应的关系，那么，对于确定结构和材料的传感器，介质的密度可以通过测量流量管的谐振频率获得。
利用流量测量的一对信号检测器可获得代表谐振频率的信号，一个温度传感器的信号用于补偿温度变化而引起的流量管钢性的变化，振动周期的测量是通过测量流量管的振动周期和温度获得，介质密度的测量利用了密度与流量管振动周期的线性关系及标准的校定常数。
科氏质量流量传感器振动管测量密度时，管道钢性、几何结构和流过流体质量共同决定了管道装置的固有频率，因而由测量的管道频率可推出流体密度。变送器用一个高频时钟来测量振动周期的时间，测量值经数字滤波，对于由操作温度导致管道钢性变化，进而引起固有频率的变化进行补偿后，用传感器密度标定系数来计算过程流体密度。
四、信号特性
罗斯蒙特公司的变送器为模块化并带有微处理器功能，配合ASICS数字技术，可选择数字通信协议。它与传感器连接使用可获得高精确度的质量流量、密度、温度和体积流量信号，并将获得的信号转换为模拟量、频率等输出信号，还可使用275型HART协议通信手操器或AMS、Prolink软件对其组态、检查及通信。
五、SP数字信号处理器特性
DSP数字信号处理器是一个实时处理信号的微处理器，在科里奥利流量计里，我们使测量管在一个已知的频率下振动，因此任何在此振动频率范围之外的频率都是“噪声”，需要除掉它们以准确地确定质量流量。例如，一个50Hz或60Hz的信号很可能来源于与附近动力线的耦合。如何在实际上“过滤”这些多余的信号则需要一些更多的在那时刻所得到的背景信息，图8表明了噪声如何出现在原转换器信号上，以及被过滤后的最终信号。
与使用时间常量去阻抑和稳定信号相比，使用数字信号处理（DSP）技术的主要好处之一，是能够以一个被提高了的采样率去过滤实时信号，减少了流量计对流量的阶跃变化的响应时间。使用多参数数字（MVD）变送器的响应时间比使用模拟信号处理的传统变送器快2~4倍，更快的响应时间会提高短批量控制的效率和精确度。
DSP技术另一个颇有价值且更富有挑战性的应用实例是气体测量，因为高速气体通过流量计会引起较严重的噪声。通过高准Elite系列传感器，与流量信号混杂的噪声被减至最校现在DSP技术能更好地滤波，并进一步减小了质量流量计对噪声的敏感度。采用MVD变送器测量气体的结果在重复性和精确度上都有了显著提高。

DSP技术提供了一个“通往处理的窗户”，当浏览这个窗户时，首先集中在测量管振动频率附近的信号上。实际上，有意地抛弃了其余的信息，很可能正是隐藏在这些“无用的”数据里的信息会铺平通往新的诊断技术的道路。例如，频谱分析可能会引导我们取得在夹杂空气或团状流动流体测量上的进展，流体在测量管内壁的附着也是另一个有希望被DSP技术检测到的故障，频谱的变化也很可能被用于预测传感器的故障。
六、测量环境的影响
1、流体压力的影响
首先考虑流体压力不应超过规定工作压力，其次考虑静压变化影响的程度。压力变化影响测量管绷紧程度和布登效应的程度，以及破坏测量管不对称的原零点偏置。虽然仪表常数变动和零漂很小，但是使用压力时和校准时相差甚大时，对于高精确度仪表影响值还是不能忽视的。小口径仪表壁厚管径比大，影响小；大口径仪表壁厚管径比校
2、流体密度影响
流体密度变化改变流量测量系统的质量，从而使流量传感器的平衡发生变化，导致零点偏移。如果测量某一特定液体，只要在实际使用的液体密度条件下调零，使用过程中的密度变化不大，一般不存在问题。但在一根管道上测量密度差别较大的几种液体时，会带来零点变动的附加误差。
3、流体粘度影响
罗斯蒙特公司的科氏力质量流量计CMF可测量液体粘度的范围很宽，并呈现良好的测量性能。虽有报告论及粘度影响测量精确度，但很少有试验数据。液体粘度会改变系统的阻尼特性，从而影响零偏置；在低流量时对流量测量值有一定程度的影响。
4、双相流体中异相含量影响
制造厂常称含有百分几体积比游离气体影响测量不大。当测量气泡小而分布均匀的液体，如冰淇淋和相似乳化液，影响可能是相对的。含气泡1%时有些型号无明显影响，有些型号误差为1%～2%，其中一台双管直管式则高达10%～15%；含气泡10%时，误差普遍增加到15%～20%，个别型号高达80%。此外流体的压力、流速、粘度和气液混合方式的差异，所带来的影响也不一样。测量含有少量固体的液体时，各类型CMF都有较高的信赖度。当固体含量较多或固体具有强磨蚀性或软固体（如食品汤汁中的蔬菜块），应选用单管直管型或串联双管型。因为如用并联双管型，分流器上有可能粘附异物或磨损导致改变两路分流量，产生误差；更为严重者如一路堵塞可能不被立即发现。
5、环境振动影响
CMF可以在振动环境下工作，但必须与振动隔离，例如与振动管间用柔性管连接和采用隔离振动的支撑架。但更应预防振动频率与CMF的工作频率或谐波频率相同。 同一型号多台仪表串接安装或较接近地平行安装，尤其是装在同一支撑台架上，各CMF间工作频率振动会相互影响，引起异常振动，严重时会使仪表无法工作。在订购时可专门向制造厂提出，错开两串联CMF的工作频率。
6、管道应力影响
若连接流量传感器管道中心未对准（或不平行）或管道温度改变，管道应力会形成压力、拉力、或剪切力作用到CMF测量管间的对准，引起检测探头的不对称性，导致零点变动。CMF安装好后必须调零以消除或减小这一影响。若管道严重未对准，有可能无法调至零位。管道温度偏离安装时温度，管道产生的热膨胀（或收缩）力亦将作用到流量传感器。有些CMF设计在测量管进出口各有一个很重的分流器，可减小管道应力对测量管的影响。直形测量管CMF特别易受热膨胀力的影响，必要时可在管道装热膨胀隔离管件。
七、实际应用
1、异相流应用
CMF在我厂主要产品如乙烯、丙烯和主要原料轻烃等的测量中使用可靠，但如果使用不当可导致计量超差甚至中断计量。
在原料轻烃的测量中，由于轻烃介质中组分复杂，即含有固体颗粒，又含有气泡，属典型的异相流体，使用过程中经常出现故障，变送器显示的故障信息是Sensor Error、 Dens Overrng、Slug flow即传感器出错、密度超限、团状流，流量计中断计量，为了解决此问题，我们在流量计入口安装了过滤器，用来过滤固体颗粒，又将流量计出口阀门开度限位，以此提高入口压力，用来减少轻烃介质中的气泡含量，采取以上措施后流量计投用正常。
2、故障信息及处理
变送器出现Drive Overrng或Input Overrange即变送器中产生错误输出，流速超出传感器量程，检查在变送器和传感器中红色电缆到棕色电缆之间是否开路或短路即传感器驱动线圈开路或短路；检查变送器和传感器中绿色电缆到白色电缆之间开路或短路，即传感器左检测线圈开路或短路。

变送器出现Sensor Error即电缆有问题，检查变送器和传感器中蓝色电缆到灰色电缆之间开路或短路，即传感器检测线圈开路或短路。

变送器出现Power Reset表示电源故障、灯光暗淡或电力循环已中断了变送器工作，检查电源系统是否正常。
变送器出现Zero Too High 或Zero Too Low表示在传感器调零期间流体没有完全终止流动，导致变送器计算出来的零点流量偏移太大而不能进行精确的流量测量，在调零时必须使流体完全终止流动。
八、结论
质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵活的流量测量仪表，在石油加工、化工等领域将得到更加广泛的应用，相信将在推动流量测量上显示出巨大的潜力。

罗斯蒙特质量流量计在贸易计量中应用其品质世界第一
罗斯蒙特高准科里奥利质量流量计在贸易计量中应用
德莱美（北京）国际贸易有限公司中国总代理(网址:www.d******.com)
引言:
当供应商或经销商与下游用户之间对液体产品(如成品油)进行贸易交接时，必须确保产品的准确计量和严格核算。管理方和监管机构对交易的公平性均非常重视。本文通过科里奥利流量计和其他常用技术的对比，解释了为何科里奥利流量计是贸易交接应用中“最实用”的选择 。同时，本文还提供了一些关于成功安装和使用科里奥利流量计的方法。
液体贸易交接计量概述:
目前，流量计量装置有以下三种基本类型：推理式容积流量计，直接式容积流量计和直接式质量流量计。
涡轮流量计－推理式容积流量计量
可以测量流动液体的几种特性，并能够推导其体积流量。尽管还有其他类型的推理式容积流量计（电磁，超声波和差压流量计），涡轮流量计却是贸易交接中最为常用的一种。在流体中插入一个涡轮叶片，根据其转速测定流体线速度。然后用管道截面积乘以流体线速度，将得出体积流量，即：
速度*面积=体积流量。
在理想条件下，涡轮流量计可以非常准确可靠。然而，在夹气状态的流体测量中，它们将难以为继。这是由于转子转速太快，会造成超额计量乃至轴承损坏。如果流体流速变化较大，或是出现涡流，特别是在高粘度流体中，也会发生类似问题。尽管一些制造商已成功设计出适用于高粘度流体的涡轮流量计，但在多数情况下，由于此类技术的基本局限性，它们的安装条件一般都极为苛刻。例如，在仪表进出口处前后需安装较长的直管段，还必须配备消气器以及上游滤网，以确保无夹带气体且流速平稳。
涡轮流量计所依赖的精密运动机件必须与流体直接接触。因此，任何外来的污染物都可能致其损坏。由此，必须在其上游安装消气器和滤网，以保护流量计免遭损坏。
定排量流量计－直接式容积流量计量
作为最早的测量方法之一，定排量（PD）技术应用广泛且便于理解。PD 流量计能够持续并重复地让流体进入一个精确已知容积的小计量室中。每次循环都会将一个容积单位的流体从流量计一端传递到另一端。随后通过计数小容积单位流过流量计的次数，来确定累计容积。经过多年积累，古老的技术已获得很大发展，例如，和很多现代流量计相似的脉冲输出式电子流量计，以及减少测量精度遭受压力因素影响的双套管式流量计。每个脉冲均对应一个离散量，它们将显示在本地显示器上，并传送到控制室。在如重质原油等高粘性产品应用中，PD流量计非常精确，并且其量程比高达10:1 。

但是，PD 流量计也存在一定的局限性。它们不适合用于液化石油气或低粘度介质（如成品油），因为其仪表外壳和转子之间无法实现充分密封。另外，PD 流量计中许多运动部件都容易遭受损坏。在常态流体中必须定期更换磨损部件，以防止漂移过量。如果发生过程中的研磨颗粒导致磨损比率增加时，那么为了防止设备故障，将不得不提早进行部件更换。最后，当遇到夹带气体时，PD流量计会受到与涡轮流量计同样的限制。气体会使转子过度旋转，并导致超额计量。同样，必须在其上游安装消气器和滤网。
科里奥利质量流量计－直接式质量流量计量
科里奥利质量流量计由一个变送器和传感器构成。流体通过U形，衣架形（如图所示）或直管形流量管，流量管与流体流动方向保持垂直震动。流体所产生的科里奥利力，与流量管振动力相互作用，造成流量管扭曲。扭曲度与流体的质量流量成正比，同时扭曲现象会产生正比的、可测量的相位移（流量管两端检测线圈之间）。

为确定体积流量，质量流量计还必须确定流体密度。这可通过测量流量管振动的自然频率得出。流体的流动密度与流量管振动期的平方成正比（与频率的平方成反比）。

由于只有测量出质量流量和密度后才可以确定体积流量，因此流量计能否准确测量这两个变量就显得尤为重要。和其它流量计相比，科里奥利流量计的独特设计，使得它对密度的测量更为准确。其中一项改进是：设计可通过更大体积流量的流量管。科里奥利流量计具有出众的密度测量精度，从而会得出更好的体积流量精度。
何时在贸易交接中选择科里奥利流
科里奥利流量计的原理面世相对较晚，但自高准（现为艾默生过程管理）在20世纪70年代首次将其推向市场以来，已经有10多家设备制造商安装了1.5万多台科氏流量计。经过数十年的成功测量应用，2002年美国石油学会（API）批准科氏流量计可用于贸易交接（见API 第5.6章 ） 。

科里奥利技术在贸易交接应用方面的市场占有率迅速增高，其主要原因如下：长期以来的高精度和重复性、多功能性、可靠性、耐固体颗粒性，以及最近的低压损和高性能表现。
精度和重复性
现代科氏流量计具有较高精度和重复性，甚至在较高量程比和流体密度、粘度和成分不断改变的流体条件下。艾默生在上世纪90年代末所推出的最新数字信号处理技术，有助于解决了零点稳定性问题，确保其能在大量程范围内保持超卓的准确性。
多功能性
在高量程比及和流体特性无关的仪表因素之间，科里奥利流量计还具备众多功能性。原来不同的产品需不同的仪表测量，而一台科里奥利流量计通常可测量多类产品。这尤其适用于综合性产品管线应用。

和其它技术的流量计不同的是，科里奥利流量计无需整流和仪表保护方面的安装需求。因此它们安装方便、成本经济，可安装于任何地方。
可靠性
科里奥利传感器的无插入、无密封和无轴承设计，能够保持其无需维护的长期完整性。鉴于其高可靠性，许多国家的计量机构减少了对其的标定要求，而其他类型流量计是要强制进行的。
耐固体颗粒性
流体中固体颗粒能经过仪表而不影响其测量精度。但是，为了防止侵蚀流量计，应正确选型以防止潜在磨蚀性固体颗粒高速通过流量计。
低压损
以前的数字型科氏流量计，需要平衡精确度和压损。自艾默生高准推出数字处理技术（也被称为多变量数字技术，或MVD u2122）以来，这种平衡已全部消失。数字处理型高准科里奥利流量计在大量程比下具有更高的基线精度，因此在低压损情况下仍能超出贸易交接计量精度要求。
在夹气应用中性能出众
由于无可动部件，科里奥利流量计不会在夹气环境中受损。另外，通过采用高准最新的MVD数字信号处理技术，科里奥利流量计在流量测量方面取得了巨大进步，其误差由20 ％降低至不到1 ％ 。
科里奥利流量计安装注意事项
在正常条件下，现代科里奥利流量计像阀门那样用螺栓固定在管道上。一些老旧、低质流量计在未对准的情况下无法实现精准测量，但现在很多经过认真设计制造的流量计，即使略微没有对准管道，也会免受管道压力的影响。

如果大量气体进入流量计，那么会导致测量错误。一个较好的安装经验是避免在管道最高点处安装传感器，因为此处气体容易滞留。

科里奥利流量计无需整流就可以保持准确可靠。两端无需长直管道安装。不同于带可动部件的流量计，科里奥利流量计可处理典型的管道固体颗粒而不会受到损坏。

如果仪表首次安装前必须清零的话，那么必须关闭阀门以确保无流体通过传感器。带隔断阀的典型流程示意图如下：

用科里奥利流量计可实现最大流量测量
在总流量很高的情况下，较经济的办法是平行安装多个科里奥利流量计，并累计其输出值作为总流量。在使用单一大口径流量计的某些情况下，所需的校验系统并不完全能够验证贸易交接仪表所能达到的测量能力。平行安装的小口径贸易交接仪表可以在低流量情况下进行分别校验。

当需要带多个平行仪表的测量系统时，可考虑使用工厂制造的在线平行计量系统（如下图高准系统）以降低成本和整体尺寸。

贸易交接认证要求
用于贸易交接的仪表必须首先符合OIML（国际法定度量衡组织）标准。许多科里奥利流量计均符合以下标准：
o OIML R 117 （用于除水以外液体的计量系统）
o OIML R 115 （用于液体数量的直接质量流量计量系统）
o OIML R 81 （用于低温液体的动态计量装置）
此外，每个国家都有其政府机构来对用于贸易交接计量的流量计进行认证，并指定其（首次和年度）校验要求。例如，计量仪器法规（MID）2004/22/EC于2006年10月30日起生效，适用于液体和气体的贸易交接计量，并适用于所有27个欧盟国家（加上挪威和瑞士） 。艾默生的高准科里奥利流量计也已符合计量仪器法规（MID）2004/22/EC的要求，它也是第一个达到MID标准的科里奥利流量计。

通过认证的流量计必须附有一张该国机构颁发的证书，但证书由仪表制造商制作和发运。客户必须在定购时要求附有证书，证书上应列出被认证传感器和变送器的型号。
科里奥利流量计的校验
所有贸易交接流量计必须通过校验，以符合法规要求并确保产品存货核算足够准确。标准表是用来将贸易交接流量计与一个可靠且已知的参考值进行比对。以下基本计算方法适用于所有校验：
仪表系数=标准表读数/仪表读数
仪表校验结果可用于以下几个方面：
o 仪表读数乘以仪表系数，得到正确的测量值
o 校验结果可以用来确定新表标定系数
o 可决定是否把仪表返给设备制造商进行分析或标定
科里奥利流量计可通过下列方法校验：
o 秤重式罐校验
o 体积式罐校验
o 标准体积管
o 小标准体积管
o 交接标准法
o 主表法
各个校验方法的组态将取决于其进行的是质量测量或体积测量校验。

科里奥利流量计拥有最多的校验方法，校验科里奥利流量计与校验其它类型流量计并无区别。然而，如果流体通过时间较短，在选用小标准体积管或标准体积管进行校验时，其过程比其他类型流量计的更为复杂。科里奥利流量计需要较长的预运行时间，这是因为科里奥利流量计使用制造的脉冲，而不是过程流体驱动脉冲。信号处理速度也是一个重要考虑因素：在相同的口径和流量条件下，由于老式科里奥利流量计使用较慢的模拟信号处理技术，其比带数字处理技术的流量计所需的检验装置要大。
案例简述
最近，一家位于东南亚的大型终端运营商需要一套贸易交接计量解决方案，用于五个加油站点。他们将PD流量计与科里奥利流量计进行了对比，由于科氏流量计维修较少，可靠性更高，他们最终选择了科里奥利流量计。终端的加油工作量很大，因此需要减少维修停机时间。最终，该运营商共安装了10个科氏流量计，在其每个加油站点各安装两台，见下图。

结束语
在贸易交接应用中使用推理和直接式容积流量计量技术也可达到精准和一致的测量，包括涡轮，正排量和其它流量计。然而，最新科氏流量计的直接式质量流量计量消除了很多传统计量方法遗留的问题。采用了数字处理技术的最新一代流量计，解决了妨碍科里奥利流量计在贸易交接中应用的终极问题（如压损、夹气计量问题）。但是仍需慎重考虑流量计的选型和安装。对大多数贸易交接应用，已经几乎不存在不选择科里奥利流量计的理由。

质量流量计一般分为热式质量流量计、差压式质量流量计、科里奥利质量流量计。

热式质量流量计的工作原理：通过测量通过管路中气体的前后的温度差来计算质量流量。

差压式质量流量计的工作原理：通知测量管路中做层流运动的气体的两点之间的压力差来计算质量流量。

科里奥利质量流量计的工作原理：通过测量两根并排U型管的前后振动差异来计算通过的气体的质量流量。

这篇知乎上的答案蛮详细的，大家可以参考一下。