罗斯蒙特质量流量计测量原理及应用

摘要：本文主要介绍了罗斯蒙特科氏力质量流量计（CMF）传感器、变送器的工作原理，详细介绍了流量计的质量流量测量原理和密度的测量原理、变送器的信号特性、DSP数字信号处理器特性以及应用。

  关键词：科氏力； HART协议； DSP数字信号处理器； 

  前言 

  罗斯蒙特质量流量计广泛应用于石化等领域，是当今世界上最先进的流量测量仪表之一，在我厂主要产品如乙烯、丙烯和主要原料轻烃等的测量中使用可靠，精度高达1.7‰，为我厂的能源、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。 

  质量流量测量原理 

  一台质量流量计的计量系统包括一台传感器和一台用于信号处理的变送器。Rosemount质量流量计依据牛顿第二定律：力=质量×加速度（F=ma） 

  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： 

  （1）法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，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Δx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。 

  由于存在关系式：mq=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。 

  传感器内是U型流量管（图2），在没有流体流经流量管时，流量管由安装在流量管端部的电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm，频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管的上下垂直运动。在流量管向上振动的半个周期内，流体反抗管子向上运动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下运动而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，在振动的另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏力。 

  根据牛顿第二定律，流量管扭曲量的大小完全与流经流量管的质量流量大小成正比，安装于流量管两侧的电磁信号检测器用于检测流量管的振动。当没有流体流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信号检测器的检测信号是同相位的（图3）；当有流体流经流量管时，流量管产生扭曲，从而导致两个检测信号产生相位差（图4），这一相位差的大小直接正比于流经流量管的质量流量。 

  由于这种质量流量计主要依靠流量管的振动来进行流量测量，流量管的振动，以及流过管道的流体的冲力产生了科氏力，致使每个流管产生扭转，扭转量与振动周期内流过流管的质量流速成正比。由于一个流管的扭曲滞后于另一流管的扭曲，质量管上的传感器输出信号可通过电路比较，来确定扭曲量，见图5。 

  电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间的滞后时间。这个“时间差”ΔT经过数字量测量、处理、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时间差乘上流量标定系数来表示质量流量。由于温度影响流管钢性，科氏力产生的扭曲量也将受温度影响。被测量的流量不断由变送器调整，后者随时检测粘在流管外表上的铂电阻温度计输出。变送器用一个三相的电阻温度计电桥放大电路来测量传感器温度，放大器的输出电压转化成频率，并由计数器数字化后读入微处理器。 

  密度测量原理 

  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/弹簧系统将在它的谐振频率上振动，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在它的谐振频率上振动，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。每一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是介质密度与振动管体积的乘积，而振动管的体积对每种口径的传感器来说是固定的，因此振动频率直接与密度有相应的关系，那么，对于确定结构和材料的传感器，介质的密度可以通过测量流量管的谐振频率获得。 

  利用流量测量的一对信号检测器可获得代表谐振频率的信号，一个温度传感器的信号用于补偿温度变化而引起的流量管钢性的变化，振动周期的测量是通过测量流量管的振动周期和温度获得，介质密度的测量利用了密度与流量管振动周期的线性关系及标准的校定常数，见图6。 

  科氏质量流量传感器振动管测量密度时，管道钢性、几何结构和流过流体质量共同决定了管道装置的固有频率，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，测量值经数字滤波，对于由操作温度导致管道钢性变化，进而引起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，见图7。 

  四、信号特性 

  罗斯蒙特公司的变送器为模块化并带有微处理器功能，配合ASICS数字技术，可选择数字通信协议。它与传感器连接使用可获得高精确度的质量流量、密度、温度和体积流量信号，并将获得的信号转换为模拟量、频率等输出信号，还可使用275型HART协议通信手操器或AMS、Prolink软件对其组态、检查及通信。 

  五、SP数字信号处理器特性 

  DSP数字信号处理器是一个实时处理信号的微处理器，在科里奥利流量计里，我们使测量管在一个已知的频率下振动，因此任何在此振动频率范围之外的频率都是“噪声”，需要除掉它们以准确地确定质量流量。例如，一个50Hz或60Hz的信号很可能来源于与附近动力线的耦合。如何在实际上“过滤”这些多余的信号则需要一些更多的在那时刻所得到的背景信息，图8表明了噪声如何出现在原转换器信号上，以及被过滤后的最终信号。 

  与使用时间常量去阻抑和稳定信号相比，使用数字信号处理（DSP）技术的主要好处之一，是能够以一个被提高了的采样率去过滤实时信号，减少了流量计对流量的阶跃变化的响应时间。使用多参数数字（MVD）变送器的响应时间比使用模拟信号处理的传统变送器快2~4倍，更快的响应时间会提高短批量控制的效率和精确度。 

  DSP技术另一个颇有价值且更富有挑战性的应用实例是气体测量，因为高速气体通过流量计会引起较严重的噪声。通过高准Elite系列传感器，与流量信号混杂的噪声被减至最小。现在DSP技术能更好地滤波，并进一步减小了质量流量计对噪声的敏感度。采用MVD变送器测量气体的结果在重复性和精确度上都有了显著提高。 

  DSP技术提供了一个“通往处理的窗户”，当浏览这个窗户时，首先集中在测量管振动频率附近的信号上。实际上，有意地抛弃了其余的信息，很可能正是隐藏在这些“无用的”数据里的信息会铺平通往新的诊断技术的道路。例如，频谱分析可能会引导我们取得在夹杂空气或团状流动流体测量上的进展，流体在测量管内壁的附着也是另一个有希望被DSP技术检测到的故障，频谱的变化也很可能被用于预测传感器的故障。 

  六、测量环境的影响 

  1、流体压力的影响 　　 

  首先考虑流体压力不应超过规定工作压力，其次考虑静压变化影响的程度。压力变化影响测量管绷紧程度和布登效应的程度，以及破坏测量管不对称的原零点偏置。虽然仪表常数变动和零漂很小，但是使用压力时和校准时相差甚大时，对于高精确度仪表影响值还是不能忽视的。小口径仪表壁厚管径比大，影响小；大口径仪表壁厚管径比小。 

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