流量计问题请教

1.请问质量流量计的测量原理是什么?


2.什么场合用质量流量计？什么场合用转子流量计？





以上问题请各位专家给予解答。谢谢

一般说的质量流量计是科里奥利工作原理的质量流量计，其原理是当质量流量计的内部管线振动时，通过该管线的质量流量不同管线的振动频率和振幅会发生变化，由此测量质量流量。
质量流量计比较贵；转子流量计相对便宜，且精度不如质量流量计高，又必须安装在立管上。所以要求精度高的场合才使用质量流量计。

可以学一学《石油化工自动控制设计手册 》（第三版）。

科里奥利质量流量计（以下简称CMF）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测量质量流量的仪表。
　　20世纪70年代后期商品化实用性CMF由美国Micro Motion公司首先推向市场，到80年代中后期各国仪表厂相继开发。迄1995年，世界已有40家以上推出各种结构的CMF，世界范围装用量估计在18万～20万台之间。1995年世界年销售量估计在4万～4.5万台之间。
　　在我国CMF应用起步较晚，从80年代中期引进成套装置附带进口少量仪表开始，到技术改造所需单台进口，迄1997年估计装用量在3500～4500台之间。1997年我国已有4家制造厂自行开发CMF供应社会，如太行仪表厂已有完整的LZL系列，还组建有几家合资企业引进国外技术生产系列仪表。
1. 原理与结构
　　如图1所示，当质量为m的质点以速度V在对P轴作角速度ω旋转的管道内移动时，质点受两个分量的加速度及其力：



图1 科里奥利力
　　① 法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于ω2r，朝向P轴；
　　② 切向角速度αt，即科里奥利加速度，其值等于2ωV，方向与αr垂直。由于复合运动，在质点的αt方向上作用着科里奥利力Fc=2ωVm，管道对质点作用着一个反向力-Fc=-2ωVm。
　　当密度为ρ的流体在旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度Δχ的管道将受到一个切向科里奥利力ΔFc ,
　　ΔFc=2ωVρAΔx （1）
　　式中A--管道的流通截面积，由于质量qm=ρVA，所以
　　ΔFc =2ωqmΔx （2）
　　因此，直接或间接测量在旋转管中流动流体的科里奥利力就可以测得质量流量。
　　然而，通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前CMF均代之以管道振动产生，即由二端固定的薄壁测量管，在中点处以测量管谐振或接近谐振的频率（或其高次谐波频率）所激励，在管内流动的流体产生科里奥利力，使中点前后两半段产生方向相反的桡曲，用电磁学（或光学），方法检测桡曲量以求得质量流量。



图2 科里奥利质量流量传感器
A--驱动线圈 ； B--检测探头
　　又因流体密度会影响测量管的振动频率，而密度与频率有固定的关系，因此CMF也可测量流体密度。
　　CMF由流量传感器和转换器（或流量计算机）两部分组成。图2为流量传感器一例，主要由测量管及其支撑固定桥架，测量管振动激励系统中线圈A或检测探头B，修正测量管材料杨氏模量温度影响的测温元件等组成。转换器主要由振动源单元、信号检测和信号处理单元等组成；流量计算则还有组态设定、工程单位换算、信号显示和与上位机通信等功能。
　

2. 优点
　　（1）直接测量质量流量，有很高的测量精确度。
　　（2）可测流体范围广，包括高粘度液的各种液体，含有固形物的浆液，含有少量均匀分布气体的液体，有足够密度的气体（压力较高的气体）。
　　（3）测量管的振幅小，可视作非活动部件；测量管内无阻碍件或活动件。
　　（4）对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。
　　（5）流量测量值对流体粘度不敏感，流体密度对流量测量值的影响极微。
　　（6）一台CMF可作多参数测量。测质量流量的同期可测流体密度和温度，还可衍生测量体积流量、溶质浓度、液固双相流体（或不相溶双组分液体）异相（或异成分）的含量。
3. 缺点
　　（1）有相当一部分CMF设计流速很高，产生较大的压力损失。有些型号CMF的压力损失比容积式仪表大100%。
　　（2）当前CMF的最大口径为150mm，不能用大管径测量。相当部分型号CMF的重量和体积较大。
　　（3）只能用于中高压气体，不能用于低压气体。一般认为现有CMF气体压力不能低于0.1MPa。因为低压气体密度很低，质量流量很小，不能达到产生足够可检测的科里奥利力。
　　（4）液体中气泡含量超过某一界限会显著影响测量值。
　　（5）对外界振动干扰较敏感。为防止管道振动影响，相当一部分型号CMF的流量传感器安装要求较高。
　　（6）价格较贵。
4. 分类
　　 CMF发展到现在已有30余系列，其主要区别在于流量传感器测量管结构上的创新；提高仪表精度、稳定性、灵敏度等性能；增加测量管桡度、改善应力分布、降低疲劳损坏；加强抗振动干扰能力等。因而，测量管出现了多种形状结构，因此本节仅就不同角度作分类和讨论：
　　按测量管形状分类，有弯曲形和直形；
　　按测量管段数分类，有单管型和双管型；
　　按双管型测量管段的连接方式分类，有并联型和串联型；
　　按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类，有平行方式和垂直方式。
4.1 按测量管形状分类
　　（1）弯曲形：首先投入市场是U字型，现在已开发并继续生产的形状有Ω字型、S字型、B字型、圆环型、长圆环型等。设计成弯曲形状是为了降低刚性，与直形管相比可以采用较厚管壁；但易积存气体和残渣而引起附加误差。
　　（2）直形：直形测量管CMF不易积存气体及便于清洗。垂直安装测量浆液时，固体颗粒不易在暂停运行时沉积于管内。流量传感器尺寸小，重量轻，但管壁相对较薄，测量值受磨蚀影响相对显著。但近年原制造弯曲形CMF的企业纷纷开发直管形，直管形系列有增加的趋势。
4.2 按测量管段数分类
　　这里所指测量管段是流体通过各自振动并检测科里奥利力划分的独立测量管。
　　（1）单管型：初期开发的产品是单管型，因易受外界振动干扰影响，后多趋向于双管型以相互抵消振动影响。但近年开发新型号又有转向单管的趋势。
　　（2）双管型：双管型可降低外界振动的敏感性，容易实现相位差的测量。
4.3 按双管型测量管段的连接方式分类
　　（1）并联型：流体流入传感器后经上游管道分流器（mainfold）分成两路进入并联的两根测量管段，然后经与分流器形状相同的集流器进入下游管道。分流器要尽可能等量分配，但使用过程中分流器沉积粘附异物或磨损会改变原流动状态，引起零点飘移，产生附加误差。
　　（2）串联型：流体流过第一测量管段经导流块引入第二测量管段。本方式不会产生因分流变化所引起的缺点，适用于对切变敏感的流体。
4.4 按测量管流体流动方向和工艺管道流动方向间布置方式分类
　　（1）平行方式：测量管的布置使流体流动方向与工艺管道流动方向平行，采用这种方式的型号较多。
　　（2）垂直方向：测量管道布置得与工艺管道垂直，流量传感器整体不在管道振动干扰作用的平面内，抗管道振动干扰的能力强。
　



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应用最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 测量精确度
　　（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，易使用户产生精确度很高的错觉；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，测量精确度低于测量液体。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压缩空气时最大流量仅为约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，精确度优于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，但对高精确度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）实际测量精确度
　　评估实际工作条件下测量精确度可采用基本误差、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，为获得最佳测量精确度，使用的最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。