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科里奥利质量流量计原理(2)
点击次数:4184 发布时间:2009-02-24 返回
5 应用概况和选用考虑要点

5.1 应用概况

  CMF主测量参量是质量流量,第二测量参量是流体密度,还有附加测量参量流体温度。此外,从质量流量和流体密度衍生出测量体积流量,双组分溶液中溶质的浓度或不相溶第二组分浓度,液固双相流中固相含量。CMF应用zui多的是需要考核质量(不是品种的质量,是mass)为目标的计量总量或控制/测量流量,具体说有:贸易结算交接计量或企业内部核算计量;批量生产(batch process)材料的分批计量(替代以前费工费时的称重计量);管道混合(blending)的控制。文献[1]例举若干具体应用实例。

  密度是CMF测量的第二参量,在生产过程中做品质指标控制,如溶液稀释程度,交接时防止卖方有意稀释;在溶液中求取溶质浓度,测量溶液中溶质流量或总量,如油井中流出油水混合液中油的产量;辨别流动中液体种类,分路发送,如区分管系成品液和清洗液交替流动,分送下游不同管道。

  CMF早期仅用于液体,然后扩展应用于高压气体,到90年代初才有适用于中压气体的仪表。据Micro Motion公司称:迄1997年该公司已有7500台CMF应用于气体,其中服务于压缩天然气汽车加注站的CMF有6000台①。

  CMF应用于高压天然气汽车加注站已趋成熟,渐成共识。OIML(国际法制计量组织)为此制订“国际计量规程",2000年1月发出第1稿委员会草案征求意见。在我国中国测试技术研究院开发的CMF亦于1996年试用于汽车加注站,迄1999年已装用了数十台。

  国外一市场分析公司对CMF应用于各产业分布的估计:石油化工占57%,能源和公用事业18%,食品饮料和医药工业14%,其他11%,其中食品医药占有相当比例。在国内应用较多的产业是资金雄厚的石油、化工、能源等业,而食品工业用得很少。

5.2 仪表性能方面的考虑

5.2.1 测量度

  (1)基本误差、零点稳定度、重复性误差

  CMF大部分以“量程误差加零点不稳定性"的方式表述基本误差。这既不是引用误差(常以%FS表示),又不是相对误差的另一种表达方式,易使用户产生度很高的错觉;若是零点不稳定性较差的仪表,实际上在低流量或接近下限流量时,常有零点不稳定性超过量程误差许多倍,误差较大,选用时应予注意。

  测量液体时,基本误差中的量程误差通常在±(0.1~0.5)%R之间,重复性误差一般为基本误差的1/4~2/3。同一仪表用于测量气体时,测量度低于测量液体。例如测量液体时基本误差为(±0.1%R+零点不稳定性)的Elite系列CMF,制造厂声称测量气体时为±0.5%R①,但有试验报告结论却称,测量误差优于±2%R,从报告附图可见,在测量较低压气体时测量误差接近或略超过1%,是零点不稳定度起主要作用[2]。液体流量范围度大部分在(10:1)~(50:1)之间,有些则高达(100:1)~(150:1)。用于测量低压气体应注意到可测上限流量将大为降低,例如CMF100型(口径25/40mm)在测0.175MPa压缩空气时zui大流量仅为约4%原额定流量②。

  通常用于气体的CMF不用气体校验,仍用水校准的仪表常数,通常认为两者之间差别不大。实际还是有些差别,文献[2]认为CMF100型在流体密度从1000kg/m3(水)到2 kg/m3(0.175MPa空气)的范围内,用制造厂校准的仪表常数,度优于2%,大部分误差小于±0.5%③。

  零点不稳定性常以%FS或流量值kg/min表示,一般在±(0.01~0.04)%之间。若零点不稳定性±0.04%FS和20:1范围度的仪表,下限流量时因零点不稳定性的误差可能达到该测量点流量的±0.8%。

  (2)静压变化影响量

  CMF使用早期人们认为流量测量值不受液体静压影响,随着应用领域的扩展和使用径验的积累,证明是受流体静压影响。实际上流体压力增加,增强了(测量)振动管绷紧(stiffening)效应和弯曲振动管的布尔登效应(Bourdon effect),影响仪表常数。虽然影响量并不太大,但对高度CMF是不能忽视。

  例如Micro Motion公司的D300/D600型静压影响约为-(0.135~0.075)%/105Pa;CMF100/200/300型则较小,约为-(0.003~0.09)%105Pa④。影响量是单向的,可作补偿。

  (3)流体温度影响量

  流体温度影响测量管材料的弹性模量和缚贴元件于测量管的粘合剂与绷带的阻尼性,前者影响仪表常数(量程),后者影响零点。虽然CMF均置有温度传感器按弹性模量的温度系数补偿弹性模量的变化,然而温度系数是平均统计值,因制造和热处理上差异,与实际温度系数间存在补偿不足或过度的问题,形成温度影响量。影响量是双向的。

  例如,Micro Motion公司的D系列的温度影响量为额定流量的±(0.01~0.1)%/10℃,CMF系列则较小,为±(0.0025~0.01)%/10℃④。

  (4)实际测量度

  评估实际工作条件下测量度可采用基本误差、压力影响量和温度影响量的均方根求得。

5.2.2 流量范围和压力损失

  前文提到CMF流量范围度很大,实际上是由于上限流量定得很高所致,如按水密度计算名义口径流速高达8~12m/s,甚至高达15~16m/s。而容积式或涡轮式等其他流量仪表仅为3~5 m/s,约为CMF的1/3。CMF测量管内流速还要高,因此大部分型号CMF的压力损失较大,用于水等低粘度液体时为0.1~0.2MPa,选用时应予注意。

  按使用条件选择CMF规格大小考虑的主要因素之一为估算仪表压力损失(或称压力降)是在管系允许值之内。在允许压力降情况下,为获得zui佳测量度,使用的zui大流量尽可能在流量范围内选得高些。通常CMF的名义口径小于(或等于)管径,很少有大于管径者。

  CMF的压力降随着流体粘度增加而增加。图3所示是D150型(口径40/50mm)的不同粘度流体流量-压力降关系线列图①。μ=1mPa·s相当于常温水粘度,μ=0.01mPa·s相当于大部分气体的粘度。从图上可以看出粘度为500mPa·s液体的压力降为水的10倍。高粘度液体在仪表中流动呈层流状态,压力降Δp和流量qm间呈线性关系(即Δp=kqmn ,式中n=1,k为系数);低粘度时为湍流流动,呈平方关系(即n=2);中等粘度关系线为折线,小流量段呈层流,中高流量段为从层流转向湍流过渡区流动,n在1~2之间。
所使用液体的粘度在图示线列之间,有建议可采用比例内插法近似计算②,实际上只适用于高粘度液体层流流动区,不适用于呈指数关系的湍流区和过渡区。
  以CMF替代原有管线上其他类型流量仪表的技术改造项目时,更要核算动力泵扬程能否满足CMF所增加压力损失,必要时调换较大扬程的泵。

5.3 流体物性方面的考虑

  基于科里奥利力仅取决于质量流量而与流体物性和工况变化无关的工作原理,从而应用CMF的初期人们认为流体物性和工况不影响测量度。然而经验表明响应科里奥利力的测量变形受所测对象流程条件所干扰。流体物性和工况变化使测量管几何形状和性能出现某些变化,通常影响下列三个校准参量中一个或二个:①几何形状和材料性能的校准系数,②测量管材料弹性模量的温度修正量,③针对传感器不对称的零偏置。性能完善化的CMF设计,力图减少或消除这些影响,但还仍然存在。

5.3.1 流体温度

  流体温度过高又可能损坏靠近测量管驱动线圈和检测探头。应用于流体易凝结的保温或加热管系,应防止在流量传感器处凝结,必要时选用保温型CMF。

  制造厂所提供流体工作温度范围,并不意味着在此范围内可保持常温下校准的性能。流体温度或环境温度变化会改变测量管材料的杨氏模量和产生零飘。杨氏模量的温度影响经电子线路补偿,但也有可能残剩一些影响量,零飘是受测量管形状等非对称性变化所形成,是不能再现的,尚难减小或消除。市场上CMF受温度影响实际情况如何?

  90年代初英国NEL(国家工程实验室)曾对多家制造厂CMF做过温度影响量实流试验[1]。水温变化范围5℃~40℃,每改变一次水温,在做流量试验前先调零,以后就不准再调。8台仪表中3台无影响,1台的仪表常数变化0.5%,2台变化1%~1.5%,2台变化1.5%~2%。5台有变化的仪表温度影响量范围为±(0.014~0.057)%/℃,还是相当大的。
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