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      石化行業羅斯蒙特質量流量計測量原理及應用簡析

      作者:admin 來源: 日期:2012-11-28 13:38:35 關注數:
      前言
      羅斯蒙特質量流量計廣泛應用于石化等領域,是當今世界上最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‰,為我廠的能源、物料的流量測量提高了準確度,避免了不必要的損失,創造了可觀的經濟效益。
      一、質量流量測量原理
      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。
      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完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。
      二、密度測量原理
      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。

       

       

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