质量式流量计 科里奥利质量流量计的原理及应用

质量流量计可以直接测量流体的质量流量，测量结果受介质密度、温度、压力和速度分布特性的影响较小。它具有测量精度高、稳定性好、使用方便、维护量少、通信功能强、多参数测量等特点，已广泛应用于生产过程控制等领域。我公司在对裂解炉先进过程控制(APC)技术进行改造时，裂解炉进料控制系统中的所有差压变送器都换成了微动科里奥利质量流量计。

1质量流量计的原理和组成

1.1质量流量计的原理

科里奥利质量流量计的质量测量原理是牛顿第二定律F=Ma。当流体在振动管中流动时，会产生与质量流量成正比的科里奥利力。当没有流体流过时，振动管不失真，振动管两侧的电磁信号检测器检测到的信号同相。当有流体经过时，振动管在扭矩的作用下会发生扭曲，两个探测器之间会产生相位差。变送器测量左右检测信号之间的滞后时间，质量流量可以通过将该时间差乘以流量校准系数来确定。

科里奥利质量流量计的密度测量原理是振动频率与流体密度的平方根成反比，通过测量振动频率来确定流体密度。因此，质量流量计可以测量流体的质量流量和流体的密度。

1.2质量流量计的组成

科里奥利质量流量计由传感器和变送器组成，用于信号处理，由专用9芯电缆连接。如图1所示。

图1质量流量计的组成

图1质量流量计的组成

传感器的结构有多种形式，如直管、U型管、ω型等。

裂解炉进料控制选用u型管式传感器。U形管的两个开口端与管道相连，流体从一个端口流入，从另一个端口流出。在U形管的顶部安装有激励U形管振动的电磁装置，根据固有固有频率激励U形管以中心为轴振动，固有振动方向垂直于U形管所在平面；流体流入U型管后，沿管道流动的同时，随管道垂直运动。另外，当流体流经U型管时，会产生一个科里奥利加速度，该加速度会以科里奥利力的形式反作用在U型管上。流体在U形管的入口和出口处反向流动，形成一个作用力矩，使U形管扭曲。扭转角与流体通过U形管的质量流量有关。测量管的扭曲被电磁检测器转换成电信号，然后发送到变送器进行进一步处理。u形管的振动如图2所示。

图2扭矩作用下扭曲的振动管

图2振动管扭矩下的变形

变送器为带微处理器的智能流量计，将传感器发出的低电平信号进行转换，输出两个与流量和密度成正比的4 ~ 20mA标准信号。如图3所示，端子17和18与初级毫安输出信号连接，端子19和20与次级毫安输出信号连接，次级毫安输出信号可以分别表示质量流量、体积流量、质量累积、体积累积、介质密度和介质温度。

图3一次和二次毫安输出接线

图3一次、二次毫安输出接线

质量流量计在原料控制中的应用

2.1质量流量计的安装

1)质量流量计基于振动原理工作，在其工作过程中，利用电磁技术激发振动，检测扭转角，处理检测信号。因此，质量流量计不能安装在较大的振动源处，也不能安装在变压器、电机等产生强磁场的设备附近，以防止外界干扰影响其正常工作。

2)质量流量计的安装不需要直管段，但传感器与管道连接时应避免应力。在质量流量计的安装过程中，如果传感器与管道中心线的同心度发生偏差，会在振动管中产生应力，从而形成压力、张力或剪切力，影响管道的对准，造成检测探头的不对称，导致零点变化，影响测量精度[3，4]。

如果管道和传感器的同心度偏差过大，零点可能无法调整。因此，应采取加固措施来稳定仪器附近的管道。安装流量传感器时，尽量采用软连接，法兰连接螺钉应均匀对称紧固。为了减少残余应力的影响，流量传感器安装后应在零点校准。为了便于质量流量计的安装和调零，应在质量流量计的前端和后端安装截止阀。

3)传感器和变送器之间的连接电缆应为制造商的专用电缆；发射器接收到低电平信号，因此电缆不应过长。安装变送器时，确保用于将本质安全型传感器电缆与电源和输出电缆分开的隔板安装到位；确保传感器接线盒和变送器外壳密封，以避免可能导致测量误差或流量计故障的短路。

4)根据流体的不同性质选择不同的传感器安装方位，始终保持传感器流管中的流体处于充满状态。用于气体进料测量的质量流量计的U形管朝上，以避免测量管内冷凝物积聚；液体进料测量质量流量计的U形管朝下，以避免气体在测量管中积聚，如图4所示。

图4质量流量计传感器的安装方式

图4质量流量传感器安装

2.2质量流量计和差压变送器的比较

2.2.1质量流量计的优点

1)质量流量计直接测量流体的质量流量，其变送器转换的电流信号不需要规定。

2)使用寿命长，维护率低。质量流量计的测量体是一个U型管，U型管的两个开口端是固定的，使流体从其中进出。管道内无障碍物或运动部件，故障因素少，安装维护方便。

3)多功能。质量流量计可以同时测量许多现场变量，如流量、密度和温度。变送器有两个可独立配置的输出信号，可用于显示流速、密度和温度的测量值。一个质量流量计可以代替多个测量仪器。

4)精度高。液体可达0.1(零点稳定性/实际流量)×100%，气体可达0.5(零点稳定性/实际流量)×100%。裂解炉进料控制用质量流量计的零点稳定性，CMF200M418NU为2.18KG/H，CMF200M419NU为2.18KG/H，CMF300M426NU为6.80KG/H。

5)质量流量计的阻尼时间可以调节。

6)质量流量计具有很强的回路自诊断功能，便于故障查找。

2.2.2使用差压变送器的缺点

裂解炉进料控制中使用的差压变送器虽然先进、精度高，但仍存在一些问题:

1)由于裂解原料粘度高，杂质多，容易造成压力管道堵塞，导致测量值不准确，需要频繁排放，增加了维护工作量，仪器排放时短时间内没有测量数据，不能满足先进控制的要求。

2)裂解炉设有单套低进料流量联锁，每套进料有两台差压变送器A和B，A表信号进入DCS控制，B表信号进入ESD参与联锁，无法保证两表信号的一致性。如果联锁仪表的测量值有误，没有及时发现，会造成联锁停机。

3)差压变送器随着压力、温度、密度等参数的变化而变化。当实际工况与设计工况不同时，仪器会产生附加误差。测量液体进料时，只有经过密度补偿后才能得到测量值；测量气体进料时，只有经过温度和压力补偿后才能获得流量值。因此，计算流量值与实际流量值可能有较大偏差，原料主管流量与单次进料流量之和也有较大偏差。

表1质量流量计和差压变送器测量值的比较

表1质量流量计、差压变送器测量值对比

从表1的数据对比可以看出，质量流量计克服了差压变送器在裂解炉进料控制方面的不足，控制质量更加准确，测控的连续性也满足先进控制的要求。

3故障分析和处理

质量流量计本身具有很强的故障自诊断功能，利用HART手动装置进行故障自诊断，然后结合万用表测量电阻或电压来查找故障原因，是快速处理故障的有效途径。由于HART设备接入回路会引起变送器4 ~ 20mA输出的变化，所以在将HART接入控制回路之前，应先将回路置于手动模式。值得注意的是，接线问题在自检时会被诊断为传感器故障，因此在排除故障时，应首先排除接线问题，包括端子虚接和端子氧化。

3.1零漂移

零点漂移是质量流量计使用中常见的问题。

零点漂移对流量测量结果有很大影响，尤其是在测量小流量时。导致零点漂移的因素很多，如传感器选择不当、安装过程中的应力以及被测流体物理特性参数的变化。在实际应用中，过程温度对测量结果的影响通过在工作温度下将质量流量计归零来最小化。

归零使流量计能够响应零流量，并为流量测量设置基线。调零有两种方法，即现场调零和人工调零。通常使用手动操作器调零方便快捷。归零前，确保传感器充满管子，流量计归零过程中流经传感器的流体完全不流动，否则零点设置不正确，影响测量精度。

调零过程中，变送器的诊断LED一直亮着，流量计持续检测密度。归零时间在20s~90s左右。调零后，LED 1s闪烁一次，表示正常运行状态。如果在变送器归零期间流体流动，或者传感器没有充满管子，或者传感器安装不正确，等等。，归零将失败。如果调零失败，LED会在一秒内闪烁四次，需要重新调零。

3.2检测线圈故障

裂解炉第三组进料质量流量计因左检测线圈故障联锁停机。进料介质为液态氢化尾油。

根据集散控制系统趋势，第三组进料流量的测量值从正常值约6900公斤/小时突然降至0..使用HART通讯器与现场仪表通讯，出现“传感器错误”的故障提示。断开变送器电源后，从现场的变送器电子模块上拔下接线盒，并用万用表测量变送器端子处导线对之间的电阻。如果电阻值超过表2中列出的范围，相应的电路就会失效。

表2变送器端子处线对之间的电阻范围

表2导线末端和电阻范围之间的变送器接线

现场测量质量流量计变送器每对导线的电阻后，发现绿色和白色之间的电阻为无穷大。再次测量传感器每对导线的电阻后，结果与变送器相同。得出质量流量计左检测线圈故障，导致指示归零，最终导致联锁停机的结论。

3.3 RTD电阻故障

因为温度影响流量管的刚度，科里奥利力引起的畸变总量也会受到温度的影响。因此，变送器检测安装在传感器中的RTD输出，并不断调整测量流量。当裂解炉每次停车都需要用稀释蒸汽吹扫时，由于蒸汽温度和压力高，RTD电阻会长期损坏。

从集散控制系统看到的故障现象表明仪器是打开的。通过HART检测，有温度超量程故障提示，检查实时温度值，一般在-400℃左右。现场检查时，首先断开变送器电源，从变送器电子模块上拔下接线盒，用万用表测量变送器端子处3、7(橙紫色)和4、7(黄紫色)线对的电阻。正常电阻范围为100ω(0℃时+0.38675ω(每℃)),当RTD失效时，电阻值将超过该范围。对于这个断层；如果质量流量计来不及离线，可以通过在线设置温度修正系数快速解决。

4结束语

质量流量计技术先进，性能稳定，安装维护方便。虽然价格相对较高，但几乎没有维护成本、精度高、长期稳定可靠运行的特点将为企业带来长期效益，并将在各个领域得到广泛应用。