化工车间科里奥利质量流量计的原理及其应用

马凤宝，董笑飞，王晓波 （大庆石化建设公司，黑龙江 大庆 163714）

化工车间科里奥利质量流量计的原理及其应用

马凤宝，董笑飞，王晓波 （大庆石化建设公司，黑龙江 大庆 163714）

科里奥利质量流量计称得上是真正意义上的质量流量测量，具备一系列工程应用优点，已经成为工业控制及节能管理领域较多使用的流量仪表，广泛应用于石化、制药及其他工业领域。本文从化工车间科里奥利质量流量计的原理和结构入手，总结了一些安装使用上的注意事项和使用方法，对其选用及安装进行说明，最后简单阐述了科里奥利质量流量计在化工车间的投运及常见故障的处理方法。

科里奥利力；质量流量计；工作原理；应用

Ketwords: Coriolis force; Mass fl owmeter; Work principle; Application

1 引言

在工业生产当中，流量参数极其重要。目前，流量计的种类各式各样，其中较为常见的是体积流量计，如节流式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、超声流量计等[1]。由于在实际生产过程中，工程师对于经济核算、物料平衡等工程因素更加关心，所以体积流量计的应用有所限制，如何测试流体的质量成为了实际应用中的一个难题。尽管有人能够利用体积流量计及流体密度计算出测试流体的质量，但由于此方法结构过于复杂，测量精度受外在温度、压力等影响较大。因此，工程技术人员迫切希望能够开发出一种能直接测量管道中流体的质量流量的新型流量计。科里奥利质量流量计（Coriolis Mass Flowmeter，CMF），即科氏力质量流量计，可以直接测量流体质量流量，并且精准度极高，诞生于美国， 并且起初由美国艾默生公司旗下著名品牌Micro Motion于八十年代将其技术完善成熟、商品化并推向市场。科氏力质量流量计不仅能够高精度测量腐蚀性介质及易爆炸介质的质量流量和介质密度，而且还可以在库存量控制及批量控制、贸易结算等方面发挥作用。因此，可以说科氏质量流量计是测量技术的一个里程碑， 具有划时代意义，它实现了工程师直接测量质量流量的愿望，同时达到了需要的精度。自其问世后，一直深受行业热捧。

2 工作原理

科里奥利质量流量计是基于科里奥利（Coriolis）效应而制成的流量测量仪表。在旋转体系中进行直线运动的质点，由于惯性，会按照原有运动方向一直运动，然而体系本身将始终保持旋转，所以，经过一段时间的旋转后，旋转体系中质点的位置将发生一些变化，这时，若从旋转体系的视角来观察，旋转体系原来的转向会发生轻微偏离。如果体系内的质点相对于惯性系为直线运动，那么其旋转路径相对于体系而言，可以看为曲线。从旋转体系的角度出发，必须存在一个力，在这个力的作用下，质点发生运动，该力即为科里奥利力（科氏力）。

科里奥利力的计算公式如下：

科里奥利质量流量计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式质量流量仪表。两根U形管（也可以是一根）在驱动线圈的作用下，以一定频率震动，被测流体从U形管流动，其流动方向与震动方向垂直，在科氏力的作用下，U型管产生扭转角θ，因此U型管两管端通过振动中心就产生了时间差，此时间与质量流量qm成正比，其关系式如下：

科里奥利质量流量计由两部分组成：一是由流体从中流过的传感器；另一部分是电子组件组成的转换器，传感器产生震动并处理来自传感器的信息，以实现流量测量。

U型管科里奥利质量流量计的基本结构如图1所示：

图1 U型管科里奥利质量流量计的基本结构

流量计的测量管是两根平行的U型管，驱动U型管垂直于管道教运动的驱动器是由激振线圈和永久磁铁组成。位于U型管的两个直管管端的两个检测器用于监控驱动器的振动情况和检测管端的位移情况，检测出两个振动管之间的振动时间差，以便通过转换器给出流经传感器的质量流量。

3 科里奥利质量流量计结构特性

在流体质量流量测试过程中，某个流体质点产生的科氏力极其微小，因此要保证测量过程的高精度并不容易，因此，增加测量系统对科氏力的感应或者在同样科氏力的作用下增大测量系统的感应强度能够使测量系统产生精确识别可用的信号。因此，改善科氏力在测试系统管路上的作用强度是一个有效手段。改善测试系统管路上科氏力的作用强度的有效方法在于改善测试系统管路弹性，可以通过减小系统管路钢性、选用弹性优良的材料制造及准确确定测试系统振荡频率，进而达到将测试系统管路的形变增加的目的。根据经验，如果管上的科氏力越明显，则系统弹性就应该越好，那么测量管的管壁就会更薄，长度也更长。在此理论基础之上可知，该方法既增加了测试系统管路的变形量和信噪比又减小了外界信号的干扰。测试系统管路上所受应力应该避免集中，以尽量减少材料的疲劳失效。测试系统管路所受应力作用的形式不同会对管路的整体测量灵敏度产生轻微影响[2]。

4 科里奥利质量流量计的使用

4.1 科里奥利质量流量计的选择

性能及可靠性是确定科氏流量计的首选要素。性能要素具体包含精准度、压力损失量、量程利用率及量程能力这几个要素，可靠性则主要考虑实践的检验。

准确度具体描述为流量百分比准确度、满量程准确度和带零稳点稳定度的准确度，具体包括三个主要参数：偏差、重复性、线性和回滞。不同的制造商往往以不同的标准给出准确度，对比数据时需要合理换算。操作人员需要按照操作具体条件和传感器的流量，初步选出传感器的规格，从而计算出压力损失，这些均是选型工作的必须步骤。误差较大的高流量会使得压力损失值较大，鉴于灵敏度较高，相应的准确度就好。相反，低流量会使压力损失降低，灵敏度低，准确度较差。所以，选择的时候要全面分析，在保证较高的流量灵敏度和准确度前提下，降低压力损失。量程能力也是整个过程中需要注意的因素。如果使用毫安输出信号，则与其他仪表的选择没有任何差别[3]。

量程利用率同样不容忽视，一般可通过生产商给出的科氏力流量计在各种流速下的量程利用率、压力损失和准确度曲线来计算其在给定应用中的性能。

4.2 科里奥利质量流量计的安装

根据前面所述科氏流量计的理论基础及结构，该型流量计的安装有如下的基本要求：

（1）传感器、变送器均为出厂前配套标定，在工厂安装时需要核对。一旦变送器更换，则需要重新配套标定。

（2）传感器及变送器需要尽量远离电磁信号干扰，如厂区内电动机、继电保护器等电磁装置。

（3）测试系统管路内应尽量保证充满被测介质。被测介质不同，安装方式也会变化。

（4）安装过程中，务必保证传感器与系统管路同轴对准安装，原则上应该尽量做到轴向和径向无应力安装。

（5）传感器尽量需要安装在直管段之后，或者节流器件、阻流元件之前，以确保流体均质、可靠地通过振管。

4.3 科里奥利质量流量计的投运

4.3.1 投用前的检查

检查流量传感器和变送器的型号、编号。检查流量计的组态是否正确，流量计的流量标定系数、密度标定系数、温度标定系数是否正确。仪表测量范围、耐温、耐压值是否与被测流体相符、安装是否符合要求、接线是否准确可靠。

4.3.2 调整零点

（1）记录原来零点校准系数；

（2）通过功能菜单启动零点校正，等待校正完成；

（3）记录新的零点校准系数。

在调整零点前要注意以下几点：

给变送器通电，使它预热至少30分钟，确保变送器处于允许流量计调整的安全模式；虽然质量流量计测量的是流体的质量流量，实际温度对质量没有影响，但会影响仪表零点的稳定性，因此钥匙的传感器温度值接近正常的过程运行温度，才能调零；保证传感器满管，关闭在流量计下游的截止阀，使流过传感器的流量为零，然后才能调零。调零过程中必须保证流过传感器的流体完全不流动。

4.3.3 投运

（1）打开流量计前后阀门，关闭旁路阀门，使仪表投入运行；

（2）仪表投运后，各可调部分不得随意改变。

4.4 常见故障及处理方法

（1）转换器无显示：检查电源及电源保险丝是否烧断；

（2）零位漂移：检查阀门是否泄漏，流量计的标定系数是否准确，阻尼是否过低，是否两相流，传感器接线盒是否潮湿；接线是否正确；接地是否正确，安装是否有应力，是否有电磁干扰。

（3）显示和输出值波动：检查阻尼是否太小；驱动放大器是否稳定；密度显示值是否稳定；接线是否正确是否有振动干扰；传感器管道是否堵塞或者有积垢；是否两相流。

（4）质量流量显示不正确：检查流量标定系数是否正确；流量单位是否正确；检查零位是否正确，若不正确重新调零；检查流量计组态是测量质量流量还是测量体积流量；密度标定系数是否正确；流量计所显示的被测介质的密度、温度是否正确；接线是否正确；接地是否正确；是否两相流；

（5）密度显示不正确：检查密度标定系数是否正确；接地线是否正确；接线是否正确；是否两相流；是否振动干扰；是否为团状流；

（6）流量计有电源，无输出：用万用表检查传感器不同接线端的电阻，是否与厂商提供的数据相符。

5 结语

科氏质量流量计应用广泛、技术先进， 在工业生产中的应用对强化控制、加强计量管理和节能降耗起着越来越重要的作用。但科氏质量流量计技术含量高，故市场价格也较贵，所以在工程实际当中就要求工程技术人员在选择及使用科氏质量流量计时要综合考虑工程的实际需要及经费预算等方面，一旦选择不妥，不仅得不到满意的测量精度，还有可能无法进行工程测量。特别地，对于那些测量精度要求不严格，没有其他特殊情况时，最好不要任意使用科氏质量流量计。总之，我们需要根据各方面条件进行权衡，在此基础上合理选用科氏质量流量计 ，使其发挥应有地工程实际意义。

[1] 胡子伯. 科里奥利质量流量计的应用及性能评价[J]. 计量与测试技术, 2001 (4) : 9 - 10.

[2] 许秀. 科里奥利质量流量计的原理及应用[J]. 工业仪表与自动化装置, 2005, (1) : 17 - 18.

[3] 张宝芬. 自动检测技术及仪表控制系统[M]. 北京: 化学工业出版社, 2001.

Principle and Application of Coriolis Mass Flowmeter Used in Chemical Engineering

Coriolis Mass Flowmeter-CMF can be regarded as the real mass fl ow measurement, which has a series of engineering application advantages. As a mass flow meter, the CMF has been widely used in industry controlling and energy saving management fi elds such as petrochemical and pharmacy. This paper summarized some cautions and application methods from design principle and structure of the CMF, and also made some instructions on its installment, at last, brief l y explained the working and troubleshooting methods of the CMF.

马凤宝（1972-）男，黑龙江哈尔滨人，中级工程师，本科，毕业于哈尔滨工程大学，现就职于大庆石化建设公司，主要从事自动化仪表、自动控制方面的研究。

B

1003-0492(2014)02-0070-03

TB663

董笑飞（1981-），男，辽宁锦州人，中级工程师，本科，毕业于辽宁石油化工大学，现就职于大庆石化建设公司，主要从事自动化仪表、自动控制方面的研究。

王晓波（1984-），男，黑龙江肇东人，中级工程师，本科，毕业于辽宁石油化工大学，现就职于大庆石化建设公司，主要从事自动化仪表、自动控制方面的研究。