科里奥利质量流量计 ( CMF) 是先进、 成熟的流量仪表, 应用广泛, 其特点有: ( 1) 实现了真正的、 高精度的直接质量流量测量。( 2) 可测量广泛的介质, 如腐蚀或卫生的液体、 浆体和气体。( 3) 无可动部件, 管路内无障碍物, 便于清洗。( 4) 多参数测量, 在测量质量流量的同时, 可同时获取密度、 体积流量和温度测量值。( 5) 不受介质温度、 粘度、 电导或流体状态变化的影响。( 6) 量程比较大。山西铝厂闪速焙烧炉是引进德国KHD 公司设备和美国铝业公司MARK Ⅲ 型工艺生产氧化铝, 为正压操作控制, 使用柴油和重油喷入炉内燃烧控制炉温;F TQ 12 总燃油流量计采用美国 Micro Motion 公司的Coriolis 质量流量计, 便于燃烧控制及耗油显示和累积计量准确, 至今其运行稳定, 为提产降耗发挥了重要作用。

1、结构和原理

采用的科里奥利质量流量计的传感器型号为
DS100 及变送器型号为RFT 9739 。
D 型传感器的结构和原理:在 U 形管 ( 单管) 的进出口端因连着一个 T 型弹簧片, 在片端装有一个电磁传感线圈和一个驱动线圈, 在 U 形管顶端有一个永久磁铁伸入到上述两个线圈内。U 形管驱振原理:弹簧片的固有振动使线圈和永久磁铁产生相对运动, 从而在传感器线圈中感应出一个感应电压, 通过功率放大器放大后又传输到驱动线圈, 使振动维持下去。为了控制放大器的增益, 中间接有一个峰值检测器。在传感器外壳中的U 型流量管振动在它的固有频率上。电磁驱动线圈驱动流量管作近似于音叉的振动, 振幅一般小于 1mm, 频率约 80Hz 。当流体流入流量管时被强制接受流量管的垂直运动, 在流量管向上振动的半个周期时, 流体反抗管子向上运动对其垂直动量的增加而对流量管施加一个向下的力;反之, 流出流量管的流体对流量管施加一个向上的力以反抗管子向上振动而对其垂直动量减少, 这便导致了流量管产生扭曲。在振动的另外半个周期, 流量管向下振动, 扭曲方向则相反, 这一扭曲现象称为科里奥利现象。根据牛顿第二定律 F =ma, 当密度为 ρ的流体以流速 V 在流量管道内流动时, 因流体在 U 形管的两平行管段流动方向相反, 而产生扭角 θ和扭矩 M, 流量管会受到管道中流动的流体产生的科氏力 F_c, F c =2 ωVq,
其中 q =ρVA ;ω为 U 形管产生正弦变化的角速度;V 为流体在管内的流速;q 为流体的质量流量, ρ为流体的密度;A 为流量管内截面积。
U 形管绕 x -x 轴振动, 科氏力周期性变化, 因
U 形管两平行直管段是几何对称的, 产生的扭矩
M =4qωrl , 对于一定材质的 U 形管, M =K θ。式中 r 为两平行管间距, L 为流量管进或出口端到顶端间距;K 为U 形管的角弹性模量。
因为 θ很小, K 、 r 和 L 对确定的U 形管是已知的, 所以流量管扭曲量的大小是完全与流经流量管的质量流量大小成正比的。安装于流量管两侧的电磁信号用于检测振动管的振动, 质量流量的大小是由这两个信号的相位差决定的, 当没有流体流过流量管时不产生扭曲, 两个检测信号的相位差为零;当有流体流过流量管时产生流量管扭曲, 导致两个检测信号的相位差, 此相位差正比于流过的质量流量。另外, 利用流量测量的一对信号检测器可获得谐振频率信号, 同时获得的温度信号用于补偿, 利用介质的密度与流量管振动周期的线性关系及准确的校定常数, 通过测量流量管的谐振频率获得介质的密度。其主要技术参数: 质量流量测量范围 0～ 10890kg/ h ;管道耐压 15.5MPa ;介质温度范围 -240 ℃～ 204 ℃;零点稳定性 3kg/ h ;连接方式DN 25 PN4MPa ;管道材料 316L 不锈钢;质量流量精度为 ±0.15 读数± [ ( 零点稳定性/ 流量) × 10 ] ;质量流量重复性±0.05 读数± [ 0.5 ( 零点稳定性/流量) ×100] ;压力损失为 0 ～ 1034kPa 。
变送器RFT 9739 是模块化及带有微处理功能的电子装置, 配合 ASICS 数字技术, 具有可选择的数字通讯协议。它与传感器连接使用而获得高精度的质 量流量、 密度、 温度和体积流量信号, 将获得的信号转换为模拟量、 频率等输出信号, 使用 275 型HART 通讯手操器对其组态、 检查及通讯。其主要技术参数:4 ～ 20mA 模拟量输出, 可表示质量或体积流量、密度、 温度、 现象 1 和现象 2 ;频率/ 脉冲输出, 可表示质量流量、 体积流量、 质量总量或体积总量, 独立于模拟量输出, 0 ～ 15V 方波, 1 ～ 10000Hz, 脉冲宽度在低频可调 ;控制输出可表示流向 、 故障和过程零点 ;数字输出的开关可选择 Bell202 和 ( 或) RS - 485 串行接口, 与HART 协议兼容;交流电源 85 ～
250V 50H z, 或直流 12 ～ 30V ;环境温度 -30 ℃～
55 ℃;密度测量范围 0 ～ 5000kg/ L ;测温量 程 -
240 ℃～ 450 ℃;安全等级 U L 、 CSA 。附加输出有
API 比重输出、 密度变化仰制、 阻尼及出错显示。

2、在燃油控制中的应用

在美国Honeywell 公司的 TPS ( 全厂一体化) 系统控制闪速焙烧炉正常运动时, FTQ 12 质量流量计在燃油控制中的应用状况。
( 1) 其性能完全满足现场工艺介质、 控制、 计量及环境的要求。
( 2) 在 GUS ( 全局工作站) 上, 可显示 FI12
( 总燃油瞬时流量, 也是 FC12 的 P V ( 测量值) ) 、DI 12 ( 燃油密度) 和 FQ 12 ( 总燃油累积计量, 计数到 1 ×10⁷kg 时开始复位翻转为 0 后重新累积计数) 。
( 3) 在烘炉时, TC5 ( 主炉温度控制器) 为AU- TO, FC2 ( 总燃烧风量控制器) 为 CAS, FC12 ( 总燃油控制器) 为AUTO, FC12 的 SP ( 设定值) 设定为 1000kg/ h, 按照规定的升温曲线自动加油控制炉内温度。
( 4) 在正常生产时, TC5 、 FC2 和 FC12 为CAS, FC12 的 SP 最大设定为 5000kg/ h, PDC43 ( 氢氧化铝卸料控制器) 为 CAS, 自动控制有关风量、 油量和物料调节阀。
( 5) 在正常生产时, FDI12 ( 过剩空气系数-风油比) 的 PV , 利用 FI12 、 DI 12 和 FI2 ( 总燃烧风量) , 根据公式FDI 12·PV =f ( x ) / 2 和 f ( x ) =100
×{( FI 2 ×1000) -[ FI 12 ×( 11 ×DI 12) ] }/[ ( FI12 +
0.1) ×( 11 ×D I12) ] , 通过 HPM ( 高性能过程处理器) 经组态计算出, 设定其控制及报警低限为 20 和高限为 50 ;如 FDI12 的测量值低于 20 , 因炉内喷油过多及燃烧不好, 而产生炉内出氧化铝黑料( 废料) ;如其低于 10 , 进入电收尘的物料油含量较高, 可能发生电收尘爆炸 ;如其高于 50 , 即生产出不合格氧化铝料。
( 6) 设定 TC5 、 FC2 和 FC12 为 CAS, 控制
FD 12 的测量值在设定范围内, 达到炉内油风比最佳, 减少油和风的总消耗, 使操作和控制更方便及安全;F TQ 12 的投用, 氢氧化铝下料量由 70t/ h 增加到90t/ h, 氧化铝一级品由40 升到90 及二级品由
85 升到 100 。
2 选型、 安装和维护
( 1) 质量流量计的选型
①考虑测量目的:测量介质的参数, 流量的范围、 精度、 输出信号及价格等。 ② 注意介质的性质和状态:介质的成份、 密度、 粘度、 腐蚀性、 温度、压力变化范围、 流动状态及雷诺系数等。 ③ 注意测量场所 :现场管路情况, 上下游的连接直短管尺寸, 清洗因素, 振动、 电磁干扰和安全防护等。
( 2) D 型传感器的安装
① 不能安装在大的干扰电磁场附近。 ② 安装位置应能保持液体满管。 ③ 传感器的外壳应朝下安装, 以避免空气积聚在流量管内。 ④ 安装时, 传感器上的箭头指向即为介质流向。 ⑤ 在上游和下游安装调节阀, 便于流量计调零, 防止流体产生气化或抽空。
⑥在传感器的上游和下游各两处固定管道在紧固的 结构上, 减少管道应力和振动的影响, 以避免干扰引起其零点不稳定和影响流量测量精度。 ⑦ 选择合适的法兰, 防止泄漏;并联安装分流管路 。
⑧ 确保过程管道具有电气接地或将传感器接地。
( 3) RFT 9739 型变送器的安装
①安装于稳定、 平坦的台面或仪表柱上。 ②变送器的导管孔朝下, 断电后接好线;完全密封导管孔防潮, 避免产生测量误差或流量计失效。 ③ 将本安电缆与电源和输出电缆分开;本安地线接设备地, 电源线接大地, 接地引线阻抗小于1Ψ。 ④传感器至变送器电缆总长不超过300m 。 ⑤ 变送器外壳安装防护罩。
( 4) 质量流量计的维护
①流量计在投用前, 确保传感器内流体充满管道后不流动, 进行流量计调零。 ② 每 12 个月进行一次检修 ( 包括清洗、 测试绝缘、 检查参数设定或检定) 。 ③ 流体通过传感器时, 无显示及输出, 检查电源和信号接线或用手操器测试及诊断。 ④ 输出随机变化, 检查信号接线、 接地、 EPROM 是否损坏或重新编程或用手操器测试及诊断。 ⑤ 间隙输出或显示混乱, 重新编程。 ⑥ 有流量, 但无累积, 解除累积禁止限, 进行复位操作。 ⑦ 处理故障时, 可查看流量计的自诊断LED 及信息、 故障信息和有关资料。

3、 结束语

科里奥利质量流量计是一种应用广泛、 技术先进的流量仪表, 对加强控制、 计量管理和节能降耗将起非常重要的作用。