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科里奥利质量流量计原理(1)
点击次数:4225 发布时间:2009-02-24 返回
    科里奥利质量流量计(以下简称CMF)是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中,产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接测量质量流量的仪表。
   
  20世纪70年代后期商品化实用性CMF由美国Micro Motion公司首先推向市场,到80年代中后期各国仪表厂相继开发。迄1995年,世界已有40家以上推出各种结构的CMF,世界范围装用量估计在18万~20万台之间。1995年世界年销售量估计在4万~4.5万台之间。
   
  在我国CMF应用起步较晚,从80年代中期引进成套装置附带进口少量仪表开始,到技术改造所需单台进口,迄1997年估计装用量在3500~4500台之间。1997年我国已有4家制造厂自行开发CMF供应社会,如太行仪表厂已有完整的LZL系列,还组建有几家合资企业引进国外技术生产系列仪表。
   
1. 原理与结构
   
  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ω2r,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Δχ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,由于质量qm=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。
   
  然而,通过旋转运动产生科里奥利力是困难的,目前CMF均代之以管道振动产生,即由二端固定的薄壁测量管,在中点处以测量管谐振或接近谐振的频率(或其高次谐波频率)所激励,在管内流动的流体产生科里奥利力,使中点前后两半段产生方向相反的桡曲,用电磁学(或光学),方法检测桡曲量以求得质量流量。
又因流体密度会影响测量管的振动频率,而密度与频率有固定的关系,因此CMF也可测量流体密度。   
  CMF由流量传感器和转换器(或流量计算机)两部分组成。图2为流量传感器一例,主要由测量管及其支撑固定桥架,测量管振动激励系统中线圈A或检测探头B,修正测量管材料杨氏模量温度影响的测温元件等组成。转换器主要由振动源单元、信号检测和信号处理单元等组成;流量计算则还有组态设定、工程单位换算、信号显示和与上位机通信等功能。
   
2. 优点
   
(1)直接测量质量流量,有很高的测量度。
   
(2)可测流体范围广,包括高粘度液的各种液体,含有固形物的浆液,含有少量均匀分布气体的液体,有足够密度的气体(压力较高的气体)。
   
(3)测量管的振幅小,可视作非活动部件;测量管内无阻碍件或活动件。
   
(4)对迎流流速分布不敏感,因而无上下游直管段要求。
   
(5)流量测量值对流体粘度不敏感,流体密度对流量测量值的影响极微。
   
(6)一台CMF可作多参数测量。测质量流量的同期可测流体密度和温度,还可衍生测量体积流量、溶质浓度、液固双相流体(或不相溶双组分液体)异相(或异成分)的含量。
   
3. 缺点
   
(1)有相当一部分CMF设计流速很高,产生较大的压力损失。有些型号CMF的压力损失比容积式仪表大100%。
   
(2)当前CMF的zui大口径为150mm,不能用大管径测量。相当部分型号CMF的重量和体积较大。
  
(3)只能用于中高压气体,不能用于低压气体。一般认为现有CMF气体压力不能低于0.1MPa。因为低压气体密度很低,质量流量很小,不能达到产生足够可检测的科里奥利力。
   
(4)液体中气泡含量超过某一界限会显著影响测量值。
   
(5)对外界振动干扰较敏感。为防止管道振动影响,相当一部分型号CMF的流量传感器安装要求较高。
   
(6)价格较贵。
   
4. 分类
  
   CMF发展到现在已有30余系列,其主要区别在于流量传感器测量管结构上的创新;提高仪表精度、稳定性、灵敏度等性能;增加测量管桡度、改善应力分布、降低疲劳损坏;加强抗振动干扰能力等。因而,测量管出现了多种形状结构,因此本节仅就不同角度作分类和讨论:
   
  按测量管形状分类,有弯曲形和直形;
   
  按测量管段数分类,有单管型和双管型;
   
  按双管型测量管段的连接方式分类,有并联型和串联型;
   
  按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类,有平行方式和垂直方式。
   
4.1 按测量管形状分类
   
(1)弯曲形:首先投入市场是U字型,现在已开发并继续生产的形状有Ω字型、S字型、B字型、圆环型、长圆环型等。设计成弯曲形状是为了降低刚性,与直形管相比可以采用较厚管壁;但易积存气体和残渣而引起附加误差。
   
(2)直形:直形测量管CMF不易积存气体及便于清洗。垂直安装测量浆液时,固体颗粒不易在暂停运行时沉积于管内。流量传感器尺寸小,重量轻,但管壁相对较薄,测量值受磨蚀影响相对显著。但近年原制造弯曲形CMF的企业纷纷开发直管形,直管形系列有增加的趋势。
   
4.2 按测量管段数分类
   
  这里所指测量管段是流体通过各自振动并检测科里奥利力划分的独立测量管。
   
(1)单管型:初期开发的产品是单管型,因易受外界振动干扰影响,后多趋向于双管型以相互抵消振动影响。但近年开发新型号又有转向单管的趋势。
   
(2)双管型:双管型可降低外界振动的敏感性,容易实现相位差的测量。
   
4.3 按双管型测量管段的连接方式分类
   
(1)并联型:流体流入传感器后经上游管道分流器(mainfold)分成两路进入并联的两根测量管段,然后经与分流器形状相同的集流器进入下游管道。分流器要尽可能等量分配,但使用过程中分流器沉积粘附异物或磨损会改变原流动状态,引起零点飘移,产生附加误差。
   
(2)串联型:流体流过*测量管段经导流块引入第二测量管段。本方式不会产生因分流变化所引起的缺点,适用于对切变敏感的流体。
   
4.4 按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类
   
(1)平行方式:测量管的布置使流体流动方向与工艺管道流动方向平行,采用这种方式的型号较多。
   
(2)垂直方向:测量管道布置得与工艺管道垂直,流量传感器整体不在管道振动干扰作用的平面内,抗管道振动干扰的能力强。
  
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