科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量精度高, 測(cè)量不受介質(zhì)物性影響, 無(wú)上、下游直管段長(zhǎng)度的要求。而且科氏質(zhì)量流量計(jì)是智能化程度很高的儀表, 其變送器除了能夠顯示和輸出質(zhì)量流量, 還能輸出轉(zhuǎn)化為4m A~20m A信號(hào)、脈沖信號(hào)或者總線信號(hào)的體積流量、密度、溫度、粘度和濃度等過(guò)程參數(shù)。所以科氏質(zhì)量流量計(jì)被廣泛應(yīng)用于化學(xué)、制藥、能源、橡膠、造紙、食品等各工業(yè)部門(mén), 在配比、裝車(chē)和貿(mào)易交接中相當(dāng)適用。

科里奧利效應(yīng) (Coriolis effect) 是指如果一個(gè)物體是靜止的, 或者相對(duì)于某一固定點(diǎn)作恒速運(yùn)動(dòng), 那么, 在這個(gè)物體上運(yùn)動(dòng)是不會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題的。如果想從物體一端的A點(diǎn)沿著一條直線走到另一端的B點(diǎn), 在走的過(guò)程中不會(huì)感到有任何困難。但是, 如果一個(gè)物體的不同部分以不同的速度運(yùn)動(dòng), 那么, 情況就大不一樣了, 假定有一個(gè)旋轉(zhuǎn)游戲臺(tái)或者任何一個(gè)繞其中心旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)。整個(gè)平臺(tái)的整體在旋轉(zhuǎn), 但在中心附近的一點(diǎn)畫(huà)出一個(gè)小圈, 因而在緩慢地運(yùn)動(dòng), 而靠近外緣的一點(diǎn)則畫(huà)出一個(gè)大圈, 因而在快速地運(yùn)動(dòng)。如圖1所示。

科里奧利力 (Coriolis force) 在有些地方也被稱作哥里奧利力, 簡(jiǎn)稱為科氏力, 是對(duì)旋轉(zhuǎn)體系中進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)由于慣性相對(duì)于旋轉(zhuǎn)體系產(chǎn)生的直線運(yùn)動(dòng)的偏移的一種描述。科里奧利力來(lái)自于物體運(yùn)動(dòng)所具有的慣性。

科里奧利質(zhì)量流量計(jì) (簡(jiǎn)稱科氏力流量計(jì)) 是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表。

根據(jù)科里奧利效應(yīng)的原理, 如果要產(chǎn)生科里奧利力, 必須要具備兩個(gè)條件: (1) 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系; (2) 作直線運(yùn)動(dòng)的介質(zhì)。根據(jù)這兩個(gè)條件, 質(zhì)量流量計(jì)必須人為地建立一個(gè)旋轉(zhuǎn)體系, 以雙“U”型測(cè)量管傳感器為例, 用電磁驅(qū)動(dòng)的方法使“U”型測(cè)量管的回彎部分作周期性的微小振動(dòng)。這相當(dāng)于使“U”型管繞一個(gè)固定軸 (OO軸) 作周期性時(shí)上時(shí)下的旋轉(zhuǎn), 其旋轉(zhuǎn)方向周期性的變化, 像鐘擺一樣運(yùn)動(dòng)。“U”型管的出入口段被固定, 這樣就建立一個(gè)以“U”形管出入口段為固定軸的旋轉(zhuǎn)體系。

U形管的兩個(gè)開(kāi)口端固定, 流體由此流入和流出。U形管頂端裝有電磁激振裝置, 用于驅(qū)動(dòng)U形管, 使其鉛垂直于U形管所在平面的方向以O(shè)-O為軸按固有頻率振動(dòng) (圖2A) 。U形管的振動(dòng)迫使管中流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨管道作垂直運(yùn)動(dòng), 此時(shí)流體將受到科氏力的作用, 同時(shí)流體以反作用力作用于U形管 (圖2 B) 。由于流體在U形管兩側(cè)的流動(dòng)方向相反, 所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反, 從而使U形管受到一個(gè)力矩的作用, 管端繞R—R軸扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形 (圖2 C) , 該變形量的大小與通過(guò)流量計(jì)的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。因此, 測(cè)得這個(gè)變形量, 即可測(cè)得管內(nèi)流體的質(zhì)量流量。測(cè)量管連續(xù)地以固定的振動(dòng)頻率進(jìn)行振動(dòng), 振動(dòng)頻率隨流體的密度變化而變化。因此, 共振頻率是流體密度的函數(shù), 由此可得對(duì)應(yīng)的密度輸出。

科氏質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和變送器兩大部分組成。其中傳感器用于流量信號(hào)的檢測(cè), 主要由法蘭、分流器、流量管、驅(qū)動(dòng)線圈、檢測(cè)線圈和驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)磁鋼、外殼構(gòu)成;變送器用于傳感器的驅(qū)動(dòng)和流量檢測(cè)信號(hào)的轉(zhuǎn)換、運(yùn)算及流量顯示、信號(hào)輸出, 主要由電源、驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)、顯示、輸出等部分電路組成。

流量管中帶有的Pt100溫度電極, 測(cè)得流體溫度。測(cè)量出的溫度, 用于在線流量測(cè)量時(shí)對(duì)測(cè)量管的溫度補(bǔ)償, 也可作為獨(dú)立的溫度信號(hào)輸出。

U型流量管與分流器、隔振固定板, 采用真空焊接而成, 如圖3所示。

科氏質(zhì)量流量計(jì)有很多種類(lèi), 按測(cè)量管數(shù)量可分為單管型和雙管型;按測(cè)量管形狀可分為彎曲形和直形, 彎曲形的測(cè)量管也分U形、Ω字形、三角形、直管等 (如圖4所示) ;按測(cè)量管材質(zhì)分有316L、904L、哈氏C-22合金、鈦、鉭等;按流量計(jì)安裝方式分有法蘭、螺紋、卡箍、Swagelok等。

根據(jù)工程實(shí)際情況和技術(shù)參數(shù), 從滿足用戶需求和節(jié)約成本的方面綜合考慮, 選擇合適的形狀、材質(zhì)、公稱通徑、公稱壓力和安裝方式的質(zhì)量流量計(jì), 主要注意以下幾方面:

質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量介質(zhì)的不同, 主要會(huì)影響到流量計(jì)的口徑、精度、材質(zhì)等方面。

主要是分為氣體、液體 (特殊情況下還會(huì)出現(xiàn)氣液兩相) 。會(huì)涉及到儀表的精度要求以及口徑、流量管材質(zhì)方面。

氣體一般情況下為0.5%, 而液體一般為0.2%, ***高為0.1%。

每個(gè)廠家的流量計(jì)特定口徑都會(huì)對(duì)應(yīng)相應(yīng)的流量量程, 在滿足用戶流量測(cè)量的同時(shí), 還要考慮到介質(zhì)的粘度, 這項(xiàng)指標(biāo)涉及到后面提及的壓損。有時(shí)會(huì)選擇較大口徑的傳感器, 用以滿足用戶對(duì)壓損的要求。

主要考慮介質(zhì)的腐蝕性, 往往需要查詢腐蝕手冊(cè), 根據(jù)介質(zhì)特性選擇對(duì)應(yīng)抗腐蝕的材質(zhì), 以延長(zhǎng)流量計(jì)的使用壽命。需要注意的是提供的指南僅作參考之用。流體屬性 (例如, 溫度、濃度、雜質(zhì)量等) 的微小改變, 更可能會(huì)影響接液部件的相容性。材料相容性選擇由***終用戶全權(quán)負(fù)責(zé)。

這兩個(gè)技術(shù)參數(shù)涉及到了流量計(jì)能否正常應(yīng)用, 以及安全的問(wèn)題。

一般情況下, 超過(guò)180℃, 選型為分體型, 并且傳感器相關(guān)的元器件選用高溫型的, 其余情況下可以選擇為一體型;如果高溫情況下選型為一體型, 流量計(jì)的電子元件會(huì)因?yàn)楦邷氐脑驌p壞, 從而造成流量計(jì)的故障。

質(zhì)量流量計(jì)的流量管和法蘭都會(huì)有一定的承受壓力, 比如法蘭有1.6MPa、2.5MPa、4MPa、6.3MPa等, 流量管有10MPa, 35MPa等, 選型時(shí)流量計(jì)的流量管壓力以及法蘭的公稱壓力一定要大于用戶的操作壓力, 要留出一部分冗余量。

根據(jù)用戶要求, 結(jié)合用戶現(xiàn)場(chǎng)情況, 選擇防爆和非防爆兩種。

一般情況下滿足用戶流量范圍的會(huì)有幾個(gè)口徑或者系列, 需要從成本、壓損, 縮徑等因素同時(shí)考慮, 選擇***合適的口徑。

涉及到精度的方面, 包括介質(zhì)的狀態(tài)、需要滿足的***大及***小流量等。

科氏質(zhì)量流量計(jì)主要用來(lái)測(cè)量介質(zhì)質(zhì)量流量或者輸出計(jì)算得出的體積流量, 工藝專(zhuān)業(yè)提供的選型參數(shù)也只涉及到介質(zhì)質(zhì)量流量或者體積流量, 所以會(huì)忽略介質(zhì)流速的影響。科氏質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量管振幅微小, 可視為無(wú)活動(dòng)件, 又無(wú)阻礙件, 其測(cè)量值不受管道內(nèi)流場(chǎng)影響, 所以可測(cè)量各種非牛頓流體以及粘滯的和含微粒的漿液, 而且流量量程比可以很大。但是, 公稱通徑一定的科氏質(zhì)量流量計(jì)的***大測(cè)量值實(shí)際是受限制的, 介質(zhì)流速是一個(gè)因素。

注意測(cè)量介質(zhì)流速的問(wèn)題, 其實(shí)也就是注意流量計(jì)產(chǎn)生的壓損大小的問(wèn)題。而且, 現(xiàn)在很多科氏質(zhì)量流量計(jì)采用三角形等彎曲形狀的測(cè)量管, 容易形成“紊流”。所以, 科氏質(zhì)量流量計(jì)可能會(huì)產(chǎn)生很大的壓損, 壓損甚至能高到難以忍受 (0.1 MPa~0.2MPa) 。另外, 很大的壓損也容易造成“氣蝕”現(xiàn)象, 損害流量計(jì)的測(cè)量管。

綜上所述, 科氏質(zhì)量流量計(jì)選型時(shí), 需要考慮其壓損是否被整個(gè)工藝流程所允許。要求限制壓損, 也就限制了在公稱通徑一定下的介質(zhì)流速上限范圍;或者在保證介質(zhì)質(zhì)量流量或體積流量上限的要求下, 選擇大一級(jí)的公稱通徑, 擴(kuò)大流通面積。另外, 流量計(jì)公稱通徑小, 測(cè)量精度高, 價(jià)錢(qián)也相對(duì)便宜;公稱通徑大, 雖然流量計(jì)壓損減小, 但是測(cè)量精度降低, 采購(gòu)費(fèi)用增加。所以需要在精度和壓損之間取得平衡, 計(jì)算出***合適的公稱通徑。

在選型的同時(shí), 還要關(guān)注用戶***初管道的尺寸, 在根據(jù)其他技術(shù)參數(shù)選擇相對(duì)應(yīng)的口徑時(shí), 考慮到壓損和現(xiàn)場(chǎng)施工等方面因素, 同時(shí)也要兼顧縮徑的問(wèn)題。一般情況下管徑可以縮徑一級(jí), ***多縮徑為管道口徑的一半, 比如用戶管道口徑為DN80, 則選擇流量計(jì)的口徑***小可以為DN40。有時(shí)也會(huì)碰到特殊情況, 即如果為保證縮徑要求, 從流量上無(wú)法滿足精度要求的話, 需要和用戶進(jìn)行協(xié)商, 確認(rèn)好現(xiàn)場(chǎng)的情況和要求。

有些時(shí)候, 比如測(cè)量含水原油時(shí), 用戶往往需要知道含水量等數(shù)據(jù), 這就要求選擇的質(zhì)量流量計(jì)含有濃度測(cè)量的功能。其他的需求比如雙電流輸出, 帶有RS485、HART、Profibus DP/PA通訊等。

如何更好地使用質(zhì)量流量計(jì), 使其在生產(chǎn)中更好地發(fā)揮作用, 依然需要積累更多的經(jīng)驗(yàn), 進(jìn)行更好地分析和改進(jìn), 以上內(nèi)容希望能夠給相關(guān)單位和人員以參考。