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      科里奧利質量流量計

       發布時間:2020-03-07
        科里奧利質量流量計
        
      科里奧利質量流量計(以下簡稱CMF)(以下簡稱CMF)是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉系中,產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。
        基于科里奧利原理的流量儀表的開發始于20世紀50年代初,但直到70年代中期,由美國高準(MicroMotion)公司首先推向市場。到80年代中后期各國儀表廠相繼開發,迄1995年世界已有40家以上儀表制造廠推出各種結構的CMF。
        到1995年世界范圍CMF裝用量估計在18萬~20萬臺之間,1995年銷售量估計在4萬~4.5萬臺之間。 我國CMF的應用起步較晚,從80年代中期引進成套裝置附帶進口少量儀表開始,到技術改造所需單臺進口一定數量,迄1997年估計裝用量在3500~4500臺之間。
        1997年我國已有4家制造廠自行開發CMF供應,目前中隆儀表廠已有完整的IZL系列;還有幾家制造廠組建合資企業或引進國外技術生產系列儀表。
       
      第二節 科里奧利質量流量計原理和結構
       
       
        如圖1所示,當質量為m的質點以速度υ在對p軸作角速度ω旋轉的管道內移動時,質點受到兩個分量的加速度及其力。
       1)、法向加速度 即向心力加速度αr,其量值等于ω2r,方向朝向P軸;
       2)、切向加速度αt 即科里奧利加速度,其量值等于2ωυ,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Fc=2ωυm,管道對質點作用著一個反向力-Fc= -2ωυm。 當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恒定速度υ流動時,任何一段長度Δx的管道都將受到一個ΔFc的切向科里奧利力。
      (1) 式中 A——管道的流通內截面積。 由于質量流量計流量即為δm,δm=ρυA
       
      注:上圖為科里奧利質量流量傳感器圖
       
      (2) 因此,直接或間接測量在旋轉管道中流動流體產生的科里奧利力就可以測的得質量流量,這就是CMF的基本原理。 然而通過旋轉運動產生科里奧利力是困難的,目前產品均代之以管道振動產生的,即由兩斷端固定的薄壁測量管,在中點處以測量管諧振或接近諧振的頻率(或其高次諧波頻率)所激勵,在管內流動的流體產生科里奧利力,使測量管中點前后兩半段產生方向相反的撓曲,用光學或電磁學方法檢測撓曲量以求得質量流量。
        又因流體密度會影響測量管的振動頻率,而密度與頻率有固定的關系,因此CMF也可測量流體密度。
        CMF由流量傳感器和轉換器(或流量計算機)兩部分組成,。圖2為流量傳感器一列一例,主要有由測量管及其支撐固定橋架、測量管振動激勵系統中的驅動線圈A、檢測測量管撓曲的光學檢測探頭或電磁檢測探頭B、修正測量管材料揚楊氏模量溫度影響的測溫組件等組成。轉換器主要由振動激勵系統的振動信號發生單元、信號檢測和信號處理單元等組成;流量計算機則還有組態設定、工程單位換算、信號顯示和與上位機通信等功能。
      第三節 科里奧利質量流量計優點
        CMF直接測量質量流量,有很高的測量精確度。 可測量流體范圍廣泛,包括高粘度液的各種液體、含有固形物的漿液、含有微量氣體的液體、有足夠密度的中高壓氣體。
        測量管的振動幅小,可視作非活動件,測量管路內無阻礙件和活動件。 對應對迎流流速分布不敏感,因而無上下游直管段要求。
        測量值對流體粘度不敏感,流體密度變化對測量值得值的影響微小??勺龆鄥禍y量,如同期測量密度,并由此派生出測量溶液中溶質所含的濃度。
       
      第四節 科里奧利質量流量計缺點 
        CMF零點不穩定形成零點漂移,影響其精確度的進一步提高,使得許多型號儀表只得采用將總誤差分為基本誤差和零點不穩定度量兩部分。
        CMF不能用于測量低密度介質和低壓氣體;液體中含氣量超過某一限制(按型號而異)會顯著著影響測量值。
        CMF對外界振動干擾較為敏感,為防止管道振動影響,大部分型號CMF的流量傳感器安裝固定要求較高。 不能用于較大管徑,目前尚局限于150(200)mm以下。測量管內壁磨損腐蝕或沉積結垢會影響測量精確度,尤其對薄壁管測量管的CMF更為顯著。 壓力損失較大,與容積式儀表相當,有些型號CMF甚至比容積式儀表大100%。
      大部分型號CMF重量和體積較大。
       
      質量流量計價格昂貴:國外價格5000 ~10000美元一套,約為同口徑電磁流量計的2 ~5倍;國內價格約為電磁流量計的2~ 8倍。
       
      第五節 科里奧利質量流量計分類
        CMF發展到現在已有30余中種系列品種,其主要區別在于流量傳感器測量管結構上設計創新;提高儀表精確度、穩定性、靈敏度等性能;增加測量管撓度,改善應力分布,降低疲勞損壞;加強抗振動干擾能力等。
        因而測量管出現了多種形狀和結構(參見圖3),本節僅就此從不同角度作些分類和討論。 畫圖 CMF 按測量管形狀可分為彎曲形和直形。 按測量管段數可分為單管型和雙管型。 按雙管型測量管段的連接方式可分為并聯和串聯型。按測量管流體流動方向和工藝管道流動方向間布置方式可分為并行方式和垂直方式。
       
      5、1 按測量管形狀分類  
      1) 彎曲形:首先投入市場的儀表測量管彎成U字形,現在已開發的彎曲形狀有Ω字形、B字形、S字形、圓環形、長圓環形等。彎曲形測量管的儀表系列比值比直形測量管的儀表多。設計成彎曲形狀是為了降低鋼剛性,因與直形相比可以采用較厚的管壁,儀表性能受磨蝕腐蝕影響較??;但易積存氣體和殘渣引起附加誤差。此外,彎形測量管的CMF的流量傳感器整機重量和尺寸要比值比直形的大。
      2) 直形:直形測量管的CMF不易積存氣體及便于清洗。垂直安裝測量漿液時,固體顆粒不易在暫停運行時沉積于測量管內。流量傳感器尺寸小,重量輕。但鋼剛性大,管壁相對較薄,測量值受磨蝕腐蝕影響大。
        有些型號直形測量管儀表的激勵頻率較高,在600 ~1200Hz之間(彎形測量管的激勵頻率僅40 ~150Hz之間),不易受外界工業振動頻率的干擾。
        近年國外原主張并生產彎曲形測量管的CMF制造廠,亦竟相開發直形測量管CMF,它有日益增加的趨勢。
       
      5、2 按測量管段數分類 這里所指測量管段是流體通過各自振動并檢測科里奧利力劃分的獨立測量管。
       1)單管型 初期開發的產品是單管式,因易受外界振動干擾影響,后期開發的CMF則多趨向于雙管型,單但近年開發又有采用單管型的,如圖3(q)所示。
       2)雙管型 雙管型可降低外界振動干擾的敏感性,容易實現相位差的測量,目前為絕大多數型號儀表所采用。
       
      5、3 按雙管型測量管的連接方式分類
       1) 并聯型
       
        如圖3(a)、(d)、(f)、(h)、(i)、(j)、(k)、(I)、(m)、(o)、(p)所示。流體流入傳感器后經上游管道分流器分成二路進入并聯的二根測量管段,然后經與分流器形狀相同的集流器進入下游管道。并聯型為較多型號儀表所采用。分流器要求盡可能等量分配,但使用過程中分流器由于沉積粘附異物或磨蝕悔改會改變原有流動狀態,引起零點漂移和產生附加誤差。
       2) 串聯型
        如圖3(b)、(e)、(g)、(n)所示。流體流過第一測量管段再經導流塊引入第二測量管段。本方式流體流過兩測量管段的量相同,不會產生因分流值變化所引起的缺點,適用于雙切變敏感的流體。
       
      5、4 按測量管流動方向和工藝管道流動方向布置方式分類
       1) 平行方式 測量管的布置使流體流動方向和工藝管道流動方向平行。采用這種方式型號較多,如圖11.3(b)、(d)、(f)、(g)、(j)、(k)、(I)、(m)、(o)、(p)、(q)。
       2) 垂直方式 測量管的布置與工藝管 道垂直,流量傳感器整體不在工藝管道振動干擾作用的平面內,抗管道振動干擾的能力強,如圖2(a)、(e)、(h)、(i)、(n)。
       

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