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      新聞資訊
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      測柴油質量流量計

       發布時間:2019-05-08
      質量流量計傳感器測量原理
      一、概述
      科氏力質量流量計是運用流體質量流量對振動管振蕩的調制作用即科里奧利力現象為原理,以質量流量測量為目的的質量流量計,一般由傳感器和變送器組成。
      羅斯蒙特質量流量計廣泛應用于石化等領域,是當今世界上先進的流量測量儀表之一,在我廠主要產品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠,精度高達1.7‰,為能源、物料的流量測量提高了準確度,避免了不必要的損失,造就了可觀的經濟效益。
       
      二、原理
      一臺質量流量計的計量系統包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。Rosemount質量流量計依據牛頓第二定律:力=質量×加速度(F=ma),當質量為m的質點以速度V在對P軸作角速度ω旋轉的管道內移動時,質點受兩個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軸;
      (2)切向角速度αt,即科里奧利加速度,其值等于2ωV,方向與αr垂直。由于復合運動,在質點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm,管道對質點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。
      當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恒定速度V流動時,任何一段長度Δx的管道將受到一個切向科里奧利力ΔFc: ΔFc=2ωVρAΔx (1)
      式中,A-管道的流通截面積。
      由于存在關系式:mq=ρVA
      所以:ΔFc =2ωqmΔx (2)
      因此,直接或間接測量在旋轉管中流 動流體的科里奧利力就可以測得質量流量。
       
      三、作用
      質量流量計傳感器內是U型流量管,在沒有流體流經流量管時,流量管由安裝在流量管端部的電磁驅動線圈驅動,其振幅小于1mm,頻率約為80Hz,流體流入流量管時被強制接受流量管的上下垂直運動。在流量管向上振動的半個周期內,流體反抗管子向上運動而對流量管施加一個向下的力;反之,流出流量管的流體對流量管施加一個向上的力以反抗管子向下運動而使其垂直動量減少。這便導致流量管產生扭曲,在振動的另外半個周期,流量管向下振動,扭曲方向則相反,這一扭曲現象被稱之為科里奧利(Coriolis)現象,即科氏力。
       
      根據牛頓第二定律,流量管扭曲量的大小全與流經流量管的質量流量大小成正比,安裝于流量管兩側的電磁信號檢測器用于檢測流量管的振動。當沒有流體流過流量管時,流量管不產生扭曲,兩側電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的;當有流體流經流量管時,流量管產生扭曲,從而導致兩個檢測信號產生相位差,這一相位差的大小直接正比于流經流量管的質量流量。
      由于這種質量流量計主要依靠流量管的振動來進行流量測量,流量管的振動,以及流過管道的流體的沖力產生了科氏力,致使每個流管產生扭轉,扭轉量與振動周期內流過流管的質量流速成正比。由于一個流管的扭曲滯后于另一個流管的扭曲,質量管上的傳感器輸出信號可通過電路比較,來確定扭曲量。
      電路中由時間差檢測器測量左右檢測信號之間的滯后時間。這個"時間差"ΔT經過數字量測量、處理、濾波以減少噪聲,提高測量分辨率。時間差乘上流量標定系數來表示質量流量。由于溫度影響流管鋼性,科氏力產生的扭曲量也將受溫度影響。被測量的流量不斷由變送器調整,后者隨時檢測粘在流管外表上的鉑電阻溫度計輸出。變送器用一個三相的電阻溫度計電橋放大電路來測量傳感器溫度,放大器的輸出電壓轉化成頻率,并由計數器數字化后讀入微處理器。
       
      密度測量
      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,一旦被施以一運動,這一重物/彈簧系統將在它的諧振頻率上振動,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在它的諧振頻率上振動,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。每一臺傳感器生產好后振動管本身的質量就確定了,振動管中介質的質量是介質密度與振動管體積的乘積,而振動管的體積對每種口徑的傳感器來說是固定的,因此振動頻率直接與密度有相應的關系,那么,對于確定結構和材料的傳感器,介質的密度可以通過測量流量管的諧振頻率獲得。
      利用流量測量的一對信號檢測器可獲得代表諧振頻率的信號,一個溫度傳感器的信號用于補償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化,振動周期的測量是通過測量流量管的振動周期和溫度獲得,介質密度的測量利用了密度與流量管振動周期的線性關系及標準的校定常數。
      科氏質量流量傳感器振動管測量密度時,管道鋼性、幾何結構和流過流體質量共同決定了管道裝置的固有頻率,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,測量值經數字濾波,對于由操作溫度導致管道鋼性變化,進而引起固有頻率的變化進行補償后,用傳感器密度標定系數來計算過程流體密度。
       
      信號特性
      羅斯蒙特公司的變送器為模塊化并帶有微處理器功能,配合ASICS數字技術,可選擇數字通信協議。它與傳感器連接使用可獲得高精度的質量流量、密度、溫度和體積流量信號,并將獲得的信號轉換為模擬量、頻率等輸出信號,還可使用275型HART協議通信手操器或AMS、Prolink軟件對其組態、檢查及通信。
       
      SP特性
      DSP數字信號處理器是一個實時處理信號的微處理器,在科里奧利流量計里,我們使測量管在一個已知的頻率下振動,因此任何在此振動頻率范圍之外的頻率都是"噪聲",需要除掉它們以準確地確定質量流量。例如,一個50Hz或60Hz的信號很可能來源于與附近動力線的耦合。如何在實際上"過濾"這些多余的信號則需要一些更多的在那時刻所得到的背景信息,圖8表明了噪聲如何出現在原轉換器信號上,以及被過濾后的ZUI終信號。
      與使用時間常量去阻抑和穩定信號相比,使用數字信號處理(DSP)技術的主要好處之一,是能夠以一個被提高了的采樣率去過濾實時信號,減少了流量計對流量的階躍變化的響應時間。使用多參數數字(MVD)變送器的響應時間比使用模擬信號處理的傳統變送器快2~4倍,更快的響應時間會提高短批量控制的效率和精度。
      DSP技術另一個頗有價值且更富有挑戰性的應用實例是氣體測量,因為高速氣體通過流量計會引起較嚴重的噪聲。通過高準Elite系列傳感器,與流量信號混雜的噪聲被減至ZUI小,DSP技術能更好地濾波,并進一步減小了質量流量計對噪聲的敏感度。采用MVD變送器測量氣體的結果在重復性和精度上都有了顯著提高。
      DSP技術提供了一個"通往處理的窗戶",當瀏覽這個窗戶時,首先集中在測量管振動頻率附近的信號上。實際上,有意地拋棄了其余的信息,很可能正是隱藏在這些"無用的"數據里的信息會鋪平通往新的診斷技術的道路。例如,頻譜分析可能會引導我們取得在夾雜空氣或團狀流動流體測量上的進展,流體在測量管內壁的附著也是另一個有希望被DSP技術檢測到的故障,頻譜的變化也很可能被用于預測傳感器的故障。
       
      科氏力質量流量計的適用特點
      a.測量管形式不一,常見的有以下幾種。Ⅰ.直管式。加工簡單,易制造,不易啟振,故管壁需薄一點,使用壽命較短。Ⅱ.彎管式。容易啟振,管壁可厚一點,機械加工復雜些,振動頻率要選大一點。Ⅲ.單管式。不用分流,零點穩定,機械加工簡單,但易受外來振動影響。Ⅳ.雙管式。不受外來振動干擾,分流不均勻會造成零點變化,機械加工也復雜些。b.直接質量流量測量與被測介質溫度、壓力、密度、黏度變化無關。c.對各種流體適應性強。d.對外界振動較敏感,但對流體分布不敏感。e.壓力損失較大。f.信號處理技術難度大,零點易漂移,不適合低壓、低密度氣體測量。g.測量管與工藝管道相對位置可以是平行的(大多數產品采用的方式),也可以是垂直的。但是只要流量傳感器不在工藝管道軸向振動平面內,流量計的抗振動干擾能力可增強。對于質量流量計的測量精度,很多產品上標注的是基本誤差+零點不穩定性。儀表制造廠商將流量計精度定得很高,一般是(±0.15%~±0.5%)R。但是量程比也定得很大(100:1),儀表流量上限取得很高。因此流量計的實際測量精度不可能這樣高,特別是流量計在小量程段測量流量時,很難保證儀表有高精度。
       

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