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1、质量流量计测量原理与应用 一、质量流量计基本概念 二、科里奥利质量流量测量技术 的发展 三、科里奥利质量流量计典型结 构和工作原理 四、科里奥利质量流量计的应用 质量流量计测量原理与应用 质量流量计基本概念 (一) 仪表定义 (二) 仪表分类 (三) 仪表的测量特性 (四) 仪表测量的不确定度 质量流量计基本概念 仪表定义 质量流量计是对被测介质的流量进行连续 测量，测量结果是以公斤或吨等工程单位显示 出来的流量仪表。 质量流量计基本概念 仪表分类 质量流量计是一种推理式流量计，按测量方法 可以分为二大类：一是质量流量间接式测量，即同 时测量流体的体积流量和密度值，由运算放大器计 算得到流体质
2、量，或是同时测量流体的体积流量和 温度、压力值，利用流体密度与温度、压力之间的 关系，计算出流体质量；二是质量流量直接式测量 方法，流体测量直接反映质量流量值，与流体的温 度、压力和密度等参数的变化无关。 质量流量计基本概念仪表分类 1、间接式质量流量计 （1） 压力温度补偿式差压流量计 （2） 压力温度补偿式体积流量计 2、直接式质量流量计 （1） 热式质量流量计（TMF） （2） 冲量式质量流量计（冲板） （3） 差压式质量流量计（孔板+定流量泵） （4） 双涡轮式质量流量计 （5） 科里奥利式 质量流量计基本概念 仪表的测量特性 仪表的测量特性(静态特性和动态 特性) 静态特性 ： 是指
3、被测量的值处于稳定状态时的 输入与输出的关系。对静态特零性的 基本要求是：输入为零输出亦为，输 出与输入成惟一的对应关系。 表征静态特性的参数有：静态变换函 数、静态特性曲线、仪表系数、流出 系数、流量范围（量程）、线性度、 灵敏度、迟滞、稳定性、零漂、重复 性、精确度和压力损失等。 质量流量计基本概念 仪表的测量特性 动态特性 是指被测量对象的输入值瞬态快速变化时，输出 值的时间响应或频率响应特性。 （1） 时间域 被测对象输入值为阶跃信号时，输出值的时间响 应特性。其品质指标可用时间常数表示。时间常数是 指输出值达到63%稳态值时的时间，用S表示。 （2） 频率域 被测对象输入值按正弦波频
4、率变化时，输出值的 频率响应特性。流量计的输出值与输入值的比值随频 率而变化的特性称为频率响应特性。 质量流量计基本概念 仪表测量的不确定度 1、测量误差组成 流量测量误差出现的特点可分为系统误差、随机误差和疏忽误 差。 2、测量的不确定度 （1） 标准不确定度的A类评定 （2） 标准不确定度的B类评定 （3） 合成标准不确定度 （4） 扩展不确定度 （5） 测量不确定度计算与表示 3、流量测量的不确定度 首先求的各参数A类和B类不确定 度，然后进行合成标准不确定度和扩展不确定度的计算。 质量流量测量技术的发展 罗斯蒙特质量流量计在20世纪90年代初广 泛应用于石化等领域，是当今世界上最先进的
5、 流量测量仪表，在大庆石化分公司水气厂（以 下简称水气厂）主要产品如乙烯、丙烯和主要 原料轻烃等的测量中使用可靠，精度高达1.7 ，为水气厂的能源、物料的流量测量提高了准 确度，避免了不必要的损失，创造了可观的经 济效益。 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理 （一）概述 （二） CMF基本结构 （三） CMF测量原理 从1950年开始，科学家和工程师们花费了许多年 试验、开发质量流量仪表，借此消除容积测量的误差及 昂贵不便的称重法。在1970年后James.E.Smith美 国高准（Micro Motion）公司的创始人成功地开发了 第一个可应用于工业的质量流量计，科里奥利质量流量 计，它是
6、根据科里奥利Coriolis效应原理研制而成的 。1984年James.E.Smith将所发明的“U”型振动管 式的科里奥利质量流量计(Coriolis Mass FlowCMF) 投入市场。 之后各国仪表厂相继开发生产。我国CMF的应用 起步较晚，设计生产CMF的厂家仅有太行仪表厂等， 还有几家制造厂组建合资企业采用国外技术组装生产销 售质量流量仪表。 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理 -概述 科里奥利质量流量计一般由流量传感器 和流量变送器组成。 1、流量传感器 流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感 型谐振式传感器。该传感器由振动管、信号检测器、震荡 驱动器、支撑结构和壳体所组
7、成。 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF基本结构 图3.2.1 双U型管质量流量传感器结构示意图 图3.2.2 双直型管质量流量传感器剖面图 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF基本结构 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF基本结构 2、流量变送器 是以微处理为核心的电子系统。它用来向传感器提供驱 动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其他一些有 意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度 测量进行补偿、修正的功能。流量变送器一般输出标准电流 信号或频率信号，并可按一定的通讯协议，实现与上位机和 DCS系统的交联与远传通讯。变送器上的显示面板可以组
8、态 显示所要求的各种参数。 有的流量变送器，没有显示面板和操作键盘，只有模拟量 或频率量输出。在实际应用中需要另外配备二次仪表和手操 器实现参数显示、流量累积和操作组态。 变送器与传感器连接 2700CIO（可组态）型变送器 输出接线示意图 3、流量传感器的测量管结构形式 科里奥利质量流量传感器的测量管有各种不同的结 构形式： （1）按照测量管的数量可将其分为单管型、双管型和连 续管型三种结构。 （2）按照测量管的形状可分为直管型和弯管型两大类。 目前，科里奥利质量流量传感器的检测振动管管形已 发展到二十多种。无论振动管形状如何，基本原理是一 致的，都是根据Coriolis效应原理测量流量质量
9、的。 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF基本结构 图3.2.3 典型的测量管管型图 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF基本结构 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF基本结构 不同测量管不同测量管 结构都有优结构都有优 点和缺点点和缺点 2、弯管式：容易起振，测量管壁可以做的很厚，振 动频率可以降低，仪表寿命增加：加工复杂，不能自 然排空。 1、直管式：加工简单，容易制造，并能自然排空；测量 管壁薄，或用高频起振，这样会使测量管寿命缩短。 3、单管式：不用分流，零点稳定；磁系统分别装在 测量管和基体上，很容易受到外来振动干扰。 4、磁系统装在两根测量管上，不易受
10、外来干 扰；需将流体分流，分流不均会造成零点变化 。 CMF测量原理 1 、基本理论 2、CMF测量原理 3、 CMF密度检测原理 科里奥利质量流量计 典型结构和工作原理-CMF测量原理 CMF测量原理基本理论 质量流量计的关键人物质量流量计的关键人物 古斯塔维 德 科里奥利牛顿爵士 CMF测量原理基本理论 1、基本理论 Coriolis效应是一种自然现象，于1835年在巴黎可尔Ecole工 业大学的数学教授Gaspard.Gustave de Coriolis定量的。 Coriolis效应可解释在地球表面上自由运动的物质为什么会看 似弯曲运行在一个转动参照系中当一个物体相对于该系而平移 时，
11、除了向心力外还有另一个附加力作用在该物体上，这个力 称为Coriolis力。例如设参照系是一个以恒定角速度绕轴O而转 动的圆盘（图3.3.1），其转动方向图中矢量所示，当一个物体 以速度V沿半径运动时，就有一个“惯性力”FK=2 V m作 用于该物体上， 此力的方向垂直于V，力FK就是 Coriolis力，此力即依赖于物体 相对于转动参照系的速度V，也 依赖于参照系转动的角速度。 Coriolis质量流量计就是将 永恒的旋转运动变成了振动在 检测器有一个电磁驱动系统， 它驱动测量管以它固有的频率 振动，这就形成了一个转动参 照系，它的振动与调谐振音叉 相类似。 当一个位于旋转体内的质 点作朝向
12、或远离旋转中心的运 动时，将产生一惯性力， 图3.2.2表示这一原理。 CMF测量原理基本理论 2、 CMF测量原理 以Micromotion的U型振动管为例，对Coriolis质量流量计的测 量做定量分析： Micromotion的U型振动管，通常振幅小于1mm， 频率大约为80Hz.图3.3.3为振动中的测量管,流体 被强制接受管子的垂直动量,在管子向上运动的 振动半周期时,流入仪表的流体向下压,抵抗管子 向上的力.反之,流出仪表流体存在向上的力,抗 图3.3.3振动中的测量 管 拒管子对其垂直量的减少而把管子向上推。两个反作用力合成引起流 量测量管扭曲；这就是Coriolis效应。在振动
13、的另外半周期，管子向 下运动而扭曲方向就相反。图3.3.4显示一个流体，经过一个测量管， 有一个质量m和速度V，它以相对OO轴线的角速度旋转。因而产 生Coriolis： CMF测量原理CMF测量原理 F=2m V （1） 式中F和是矢量,m包含在长度L测量管中的质量(即半管中的流体质量)。 图图3.3.4测测量管转动转动 示意图图 流体的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果从尾端观看这个测量管 是两个引线（在图3.3.4中从RR轴线看进去），由在入口与出口管线上的流体产生 的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。 由于管子相对OO轴振动，这个力产生一个相对于RR轴的振动力矩M（半径
14、是 r）。 CMF测量原理CMF测量原理 M=F1r1+F2r2 （2） 由于F1=F2 r1=r2由式子（1）和（2）得出： M=2Fr=4Vmr (3) 质量m是由密度、管截面积A和长度L定义的，速度V是由单位 时间的单位L定义的。质量流量qm是由每单位时间内通过的一 个给出点质量决定的，那就是m=AL及V=L/t 、qm =m/t 这样通过取代qm =mv/L式中L是管长, 式(3)变成:M=4r qm L (4) 力矩M产生一个角度偏转即 扭转角,相对于RR轴线。 这扭转角在振动管移动的中 点最大(图3.3.5所示) 图3.3.5 由测量管尾端所显示泊 流体力 CMF测量原理CMF测量
15、原理 CMF测量原理密度检测原理 l 密度测量原理 l 流量管的一端被固定，而另一端是自由的。这一结构可看做一重物悬挂在弹 簧上构成的重物/弹簧系统，一旦被施以一运动，这一重物/弹簧系统将振动在它 的谐振频率上，这一谐振频率与重物的质量有关。质量流量计的流量管是通过 驱动线圈和反馈电路振动在它的谐振频率上，振动管的谐振频率与振动管的结 构、材料及质量有关，振动管的质量由两部分组成：振动管本身的质量和振动 管中介质的质量，1台传感器生产好后振动管本身的质量就确定了。振动管中介 质的质量=密度振动管的体积。因而，由测量的管道频率可推出流体密度。变 送器用一个高频时钟来测量振动周期的时间，测量值经数
16、字滤波，对于由操作 温度导致管道钢性变化，进而引起的固有频率的变化进行补偿后，用传感器密 度标定系数来计算过程流体密度。 科里奥利质量流量计的应用 (一)科里奥利质量流量计选型 (二)科里奥利质量流量计检定 (三) 2700/1700面板操作 (四)质量流量计的安装 (五)质量流量计的使用和维护 (六)结束语 科里奥利质量流量计选型 （二）科里奥利质量流量计选型 流量仪表选型，首先要根据测量目 的以及被测介质的性质、流体的流量范 围、工艺条件下的流体参数、安装环境 条件等各方面的因素，选用不同类型的 流量计。 科里奥利质量流量计选型 1、选型原则 （1） 根据被测流体的类型选择流量计 的结构 （2） 安全性原则 （3） 流量范围 （4） 准确度 （5） 压力损失 （6） 其他性能因素 （
