（檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)論文）科氏流量計檢測技術(shù)新方法的研究與開發(fā).pdf

華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 科罩奧利質(zhì)量流量計( c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ，以f 簡稱c m f ) 是一種直接式 質(zhì)量流量測量儀表，由于其優(yōu)良的性能，已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，并且 市場需求仍在不斷增長，其不僅在質(zhì)量流量測量領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，而且還會取代 n 多其它種類的流量儀表，越來越被廣泛應(yīng)用。 c m f 是一種新型的質(zhì)量流量計，技術(shù)在不斷發(fā)展與成熟。但是c m f 仍有一些 不足，如對中低壓氣體的質(zhì)量流量測量而言，其靈敏度太低：零點誤差問題一直未 能良好解決。因此研究和開發(fā)更先進，適用范圍更廣的c m f 具有很大的學(xué)術(shù)價值和 現(xiàn)實意義。 論文首先介紹了c m f 的優(yōu)點和應(yīng)用情況，概括了c m f 在國內(nèi)外的發(fā)展和現(xiàn)狀， 然后分析了c m f 存在的一些問題明確了本論文研究工作的目標。 其次，文章對c m f 傳感器部分進行了論述，給出了傳感器系統(tǒng)的工作原理，介 紹了相位差信息檢測的方法和原理，這也是以后工作的理論基礎(chǔ)。 然后，介紹了整個系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)及有關(guān)設(shè)計，并重點論述現(xiàn)有的c m f 傳感檢 測管部分所存在的靈敏度不高的問題。在對傳感檢測管部分進行分析的基礎(chǔ)上，提 出了提高c m f 測量靈敏度的實現(xiàn)方法，即用彈性檢測管取代長久沿用的剛性測量管， 以探索利刖這種新的c m f 檢測方法解決低壓氣體質(zhì)量流量測量的難題。論文討論了 這種新技術(shù)思路的c m f 實驗系統(tǒng)的設(shè)計與研制。根據(jù)c m f 振動信號檢測與處理的 要求給出了幾種檢測方法。重點討論了信號處理電路，對電路設(shè)計進行了仿真并 給出了仿真結(jié)果。 本論文研究工作完成了基本的機械振動檢測管及信號檢測電路之后，進行了實 際的低壓氣體質(zhì)量流量測量的初步試驗，論文分析與討論了試驗現(xiàn)象與結(jié)果，完成 了實驗系統(tǒng)低壓氣體質(zhì)量流量檢測下限這一重要參數(shù)的求解與估算。檢測下限良好 的結(jié)果，驗證了本論文工作所提出的高靈敏度彈性管檢測方法的技術(shù)思路是正確、 可行的，為下一步這種新型的c m f 技術(shù)的研究與開發(fā)提供了極有價值的參考。 論文最后，提出了f 一步研究開發(fā)c m f 的一些建議。 關(guān)鍵詞；科尾奧利：氣體質(zhì)量流量測量；波紋管 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ( c m f ) i sak i n do fd i r e c tm e a s u r e m e n tf l o w m e t e rf o r m a s s f l o w 1 th a sf o u n dw i d ea p p l i c a t i o n si nv a r i o u si n d u s t r i a lf i e l d sb e c a u s e o f i t se x c e l l e n t f e a t u r e s ，a n dm a r k e td e m a n df o ri ti si n c r e a s i n ga c c o r d i n g l y i tt e n d sn o to n l yt ob e d o m i n a n ti nt h em a s s f l o wm e a s u r e m e n tf i e l d ， b u ta l s ot ob es u b s t i t u t e so fm a n yo t h e r k i n d so ft r a d i t i o n a lf l o w m e t e r si np r a c t i c a le n g i n e e r i n gf i e l d s c m fi san e wt y p eo fm a s sf l o w m e t e rw h i c hh a sb e e nu n d e rd e v e l o p m e n ta n dh a s o b t a i n e dm a t u r i t yi nt e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o n s s t i l lc m f h a sc e r t a i ns h o r t c o m i n g s ， s u c ha st h a tt h es e n s i t i v i t yi st o ol o wf o rm i d l o w - p r e s s u r eg a sm a s s f l o w ，a n dt h a t n u l l e r r o ra n di t sd r i f tp r o b l e mh a sn o tb e e ns a t i s f a c t o r i l ys o l v e d t h e r e f o r e ，i to fg r e a t i m p o r t a n c ed e v e l o pc m f o f b e t t e rp e r f o r m a n c ea n dh i g h e ra p p l i c a b i l i t i e s t h i st h e s i si n t r o d u c e sm e r i ta n da p p l i c a t i o n so fc m f w i t hs u m m a r yo f d o m e s t i ca n d o v e r s e a sc m fd e v e l o p m e n tt e n d e n c y a n a l y z e ss o m ep r o b l e m st ob es o l v e di nc m f t e c h n o l o g y t h eo b j e c t i v e sf o rt h e t h e s i sw o r kh a v eb e e nd e t e r m i n e d t h et h e s i st h e nd i s c u s s e st h es e n s i n gu n i t ，d e s c r i b i n g i t s o p e r a t i o np r i n c i p l e ， m e t h o df o rp h a s e s h i f t ，w h i c hh a sl a y e dt h et h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rr e s e a r c hw o r k l a t e r o i l t h et h e s i sd e s c r i b e ss t r u c t u r ea n dd e s i g no fw h o l es y s t e m ， w i t hf o c u so nt h e l o w s e n s i t i v i t yp r o b l e mi n t h ec u r r e n tc m f b a s e do nt h ea n a l y g a t i o no ft h es e n s i n g v i b r a t i o nt u b e s ，t h et h e s i s p r e s e n t san o v e lt e c h n o l o g yt oi m p r o v et h es e n s i t i v i t yb y a p p l y i n g a ne l a s t i ct u b ec o n n e c t i o n s i n r e p l a c e m e n t o ft h et r a d i t i o n a l s t i f ft u b e c o n n e c t i o n s t h i si d e at e n d se x p l o r ef e a s i b i l i t y o ft h em e t h o df o rl o w - p r e s s u r eg a s m a s s f l o wm e a s u r e m e n t t h et h e s i sd e s c r i b e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h ec m fb a s e do nt h en o v e l t e c h n i q u e s o m es i g n a ld e t e c t i o nm e t h o d s a r eg i v i n ga c c o r d i n gt or e q u i r e m e n to f v i b r a t i o n s i g n a l d e t e c t i o na n dp r o c e s s i n g t h et h e s i st h ef o c u s e so ns i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sa n d m a k es o m es i m u l a t i o n sa n dt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nh a v eb e e no b t a i n e d i i 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 w h i l et b ew o r ko fm e c h a n i cv i b r a t i o ns e n s i n gt u b e sa n d s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i tw e r e f i n i s h e d w ec o n d u c t e da ni n i t i a l e x p e r i m e n tf o rap r a c t i c a ll o w p r e s s u r eg a sm a s s f l o w m e a s u r e m e n t t h et h e s i sa n a l y z e sa n dd i s c u s s e st h ee x p e r i m e n ta n di t sr e s u l t ，o b t a i n e d s o l u t i o na n de s t i m a t i o nf o rm i n i m u mv a l u eo f o w p r e s s u r eg a sm a s s f l o wd e t e c t a b l ei n t h ee x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h eg o o dr e s u l tc e r t i f i e st h a tt h et e c h n i q u eo fh i g h - s e n s i t i v i t y e l a s t i cs e n s i n gt u b e si sf e a s i b l e t w h i c ho f f e r sav e r yv a l u a b l er e f e r e n c ef o rt h ef u t u r e r e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t w o k0 1s u c han o v e lc m f t e c h n i q u e k e y w o r d s ：c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r g a sm a s sf l o wm e a s u r e m e n t ：b e l l o w s 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 1引言【7 】 1概述 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，流量的測量常常是生產(chǎn)過程控制和管理的關(guān)鍵。雖然現(xiàn)在有 種類繁多的流量計廣泛應(yīng)用于工業(yè)，商貿(mào)，航空，能源生產(chǎn)等領(lǐng)域，為人們提供著 物料的流量和總量，但在許多情況下，為了核算成本，調(diào)節(jié)物料配比，維護雙方買 史的利益，通常要使流量或總量換算或顯示成質(zhì)量流量。在燃燒控制，配料控制， 基重控制，能源計量和物料管理，流體商品交換中，人們更關(guān)心的是流體的質(zhì)量流 量，因此質(zhì)量流量測量方法的研究和實用儀表的開發(fā)特別引人關(guān)注。 測量流體的質(zhì)量流量可以用問接測量的方法，也可以用直接的方法。直接式質(zhì) 量流量i ：t - q - ，有量熱式質(zhì)量流量計，雙渦輪質(zhì)量流量計，動量矩式和慣性力式質(zhì)量 流量計等，在動量矩式和慣性力式質(zhì)量流量計中，發(fā)展最快的是科里奧利質(zhì)量流量 計( c o r i o l i sm a s sf l o w m e t e r ，以下簡稱c m f ) 。 從目前狀況看來，科氏流量測量儀表市場需求極為量大面廣，除在市場十分巨 大的流程工業(yè)領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景外，還可為解決在我國一些新的經(jīng)濟和技術(shù) 領(lǐng)域所存在的質(zhì)量流量測量難題提供技術(shù)手段，如可為“西氣東輸”工程中各支線 及終端用戶的流量計量，為環(huán)境保護與治理中的污水監(jiān)測提供技術(shù)裝備。又由于科 氏流量測量儀表技術(shù)涉及新材料，精密制造，光纖傳感檢測及智能信息處理技術(shù)等 多個領(lǐng)域，有著相當?shù)募夹g(shù)r 度與深度?？傊剖狭髁繙y量儀表的開發(fā)研究具有 重要的經(jīng)濟價值和學(xué)術(shù)意義。 1 2c m f 的優(yōu)點及其廣泛的應(yīng)用【7 l 【1 8 】 1 2 1c m f 的優(yōu)點 科氏力流量測量方法具有很多其它流量測量方法所無法比擬的優(yōu)點，例如： ( 1 ) 直接得到質(zhì)量流量，且1 i 受被測介質(zhì)的物理參數(shù)影響?，F(xiàn)在c m f 的測量 精度已經(jīng)能夠達n 0 2 ，如果將流量限定在一個比較狹窄的范圍之內(nèi)，測量精度可 更高。如此高的測量精度只需要一臺流量計便可獲得，而若要體積式流量計和密度 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 計組合( 間接式質(zhì)量流量方法) 來獲得，則需要相當復(fù)雜的系統(tǒng)。 ( 2 ) 不受管內(nèi)流念的影響。在管內(nèi)流動的液體無論是紊流還是層流狀態(tài)都不影 響測量精度，即使是粘度很高也仍然具有很高的測量精度。同時無論紊流還是層流 狀態(tài)的上流側(cè)流速分布不會影響測量，從而在流量計的前后不必要設(shè)置直管段，這 一點比其他許多流量計在安裝上提供了更多的方便。 ( 3 ) 可以測量范圍廣泛的各種介質(zhì)，如石油，化工介質(zhì)，造紙黑液，漿體等。 ( 4 ) 測量范圍大。通過改變滿刻度值，用同一口徑的流量計可以覆蓋1 0 0 ：l 的 測量范圍。 ( 5 ) 營路內(nèi)無障礙物，含固體顆粒的稀漿可以流通，而無須在流量計上流側(cè)安 裝過濾器。 ( 6 ) 多參數(shù)測量。由于測量管的固有頻率隨流體的密度變化，因此由檢測管的 振動頻率便可獲得密度信號。而且，利用密度信號可以構(gòu)成按流體密度差來切換流 路的系統(tǒng)。 ( 7 ) 可跟蹤脈動流?；钊煤湍て脮a(chǎn)生脈動流，對于許多流量計來說，跟 蹤脈動流的動態(tài)能力較差，產(chǎn)生較大的動態(tài)誤差，而c m f 可以跟蹤這些脈動流，使 流量計測量精度幾乎不受影響。 ( 8 ) 無可動部件。雖然檢測管具有振動，但振幅很小，可近似認為是一種無可 動部件的儀表。只要沒有化學(xué)藥物引起的腐蝕和泥沙引起的磨損，就沒有必要為了 更換部件而定期檢修。 122c m f 的應(yīng)用舉例 正是因為c m f 有如上所述的諸多優(yōu)點，其在工業(yè)生產(chǎn)各領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 1 在聚丙烯生產(chǎn)中的應(yīng)用 在聚丙烯生產(chǎn)過程中，由于使用了固體催化劑，渦輪式和容積式的流量訃易受 損壞；又因為溶劑的不導(dǎo)電性，電磁流量計也不適用：加熱至1 00 l50 的 添加劑電會山于溫度的轉(zhuǎn)變而在差壓式傳感器上形成涂層，影響測量精度，而添加 劑的流量又會直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。而采用c m f 不會受上述各種因素的限制，而實現(xiàn) 精確的測量。 2 在造紙行業(yè)中的應(yīng)用 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 在造紙生產(chǎn)過程中制造高級紙張時，由于調(diào)整紙張不透明度和亮度的t i 0 2 是一種很貴的物料，它是以水中懸浮狀的漿料加入，并且通常采用電磁流量計 來測量其流量，由于很多因素會造成t i 0 2 粉末在管道中的含量發(fā)生變化，操作者必 須加入過量的t i 0 2 以求達到紙張達到最低亮度和不透明度的要求。采用c m f 可以 使t i 0 2 的分量控制問題得到解決，既能保證產(chǎn)品質(zhì)量，又能不浪費很貴的物料，有 明顯的經(jīng)濟效益。 3 在制酒工業(yè)中的應(yīng)用 在啤酒生產(chǎn)過程中，需將糖和水混合起來，采用c m f ，密度輸出可以告訴操作 者糖的溶解程度，一旦密度輸出穩(wěn)定，證明已經(jīng)溶解均勻，批量和質(zhì)量均可得到有 效控制。 在威士忌等酒類生產(chǎn)過程中c m f 可用于淀粉百分比的控制，以節(jié)省蒸餾時問， 增加產(chǎn)量提高整個過程的效率。 4 在巧克力生產(chǎn)過程中的應(yīng)用 液體i j 克力必須和添加劑例如可可粉，調(diào)味品等攪拌均勻，為了保證質(zhì)量和配 料劑量，采用c m f 可嚴格控制配料的數(shù)量。巧克力在3 0 以下開始固化，為使巧克 力保持在液體狀態(tài)，應(yīng)采用保溫型的c m f 5 用于瀝青測量 在條件惡劣，振動較大的瀝青堆料車上，安裝保溫型c m f ，按一定程度可控制 路面上瀝青鋪層的厚度。 6 化學(xué)工業(yè)中兩組分配料的質(zhì)量流量系統(tǒng) 在化學(xué)工業(yè)中，很多過程需要對兩種以固定比率調(diào)和的組分做連續(xù)控制，例如 樹脂和硬化劑的混合?？刂葡到y(tǒng)中選用兩臺c m f ，再由兩臺轉(zhuǎn)換器分別控制兩組分 的調(diào)速泵。轉(zhuǎn)換器中有p i d 調(diào)節(jié)器，整個系統(tǒng)實施對雙組分的比率控制。 7 油水混合物的測量 jc m f 可以測得純油質(zhì)量流量以及含水率，但由于油水分布狀態(tài)的復(fù)雜性，油 水密度沒定的準確性，以及密度測量精度所限等因素的影響，在油水混合物測量方 面的應(yīng)用尚不太成熟，有待進一步摸索和實踐。 8 氣體測量 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 由于氣體密度小，質(zhì)量輕，測量有一定的困難，目前許多c m f 產(chǎn)品主要用于液 體汁量，有的廠家表示其產(chǎn)品可用于氣體計量，但氣體介質(zhì)必須達到相當高的壓力 以提高其密度值，產(chǎn)品、既明二 | _ s 一般給出最小氣體密度的界限。 正是由于氣體測量的c m f 技術(shù)的空白。使得氣體c m f 的研發(fā)工作特別有意義， 為c m f 更新的發(fā)展既提出了挑戰(zhàn)又提供了發(fā)展機遇和空間。 9 具體測試介質(zhì)舉例 ( 1 ) 石油和天然氣工業(yè)，如純石油產(chǎn)品，焦油，油水乳化劑，液化石油氣天 然氣液體等。 ( 2 ) 石油加工工業(yè)，如煉焦爐進料，高溫分解瀝青，催化器供料，柴油燃油， 潤滑油混合物等。 ( 3 ) 化學(xué)工業(yè)，如催化劑漿液，熱熔添加劑，冷凍劑，聚合物，膠乳，乙烯， 乙烯氧化物，丙烯，丙烯氧化物，多元醇，腐蝕劑，酸等。 ( 4 ) 制藥工業(yè)，如維生素，藥丸涂層，i v 填充料，發(fā)酵漿液，離心機進料控制， 酒精，去離子水等。 ( 5 ) 食品和飲料工業(yè)，如油耗控制，桔子汁，麥牙汁，乳酪，啤酒，牛奶，花 生醬，酵母。面包生面漿等。 ( 6 ) 紙漿和造紙，o , f 1 ：1 ：氧化鈦，黑，綠，白色液體，過氧化氫，紙漿，涂層等。 1 3國內(nèi)外c m f 技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀f 5 】【3 9 1 1 4 0 l 1 3 1 概況 利用科里輿利原理設(shè)計質(zhì)量流量計開始于本世紀中期，但發(fā)明家們始終沒有解 決以簡便方法使流體在直線運動的同時處于同一旋轉(zhuǎn)體系中的難題。直到美國的 j a m e ss m i t h 于1 9 7 7 年發(fā)明了基于振動方法的，結(jié)構(gòu)簡單的，將兩種運動巧妙結(jié)合起 來的振動管式質(zhì)量流量計，才使c m f 的設(shè)計走出困境，得以能夠設(shè)計出應(yīng)用于實際 z , d k 領(lǐng)域的產(chǎn)品，并在最近2 0 多年獲得了長足的發(fā)展。盡管科氏流量儀表是八十年 代初期才進入市場，但近二十年來，已逐漸成為流量儀表的主導(dǎo)產(chǎn)品，技術(shù)性能指 忉i 和智能化水平也不斷提高。權(quán)威專家評淪，科氏流量儀表將會取代現(xiàn)有的其它類 型的質(zhì)量流量儀表和某些容積式流量儀表而成為流量測量的主流技術(shù)，市場銷售的 事實也證明了這一點，許多傳統(tǒng)的流量儀表的市場占有份額在大幅度下降，而睢有 科氏流量儀表卻以年平均增長率1 6 的速度在增長。近5 年來，世界范圍內(nèi)的各種 流量儀表年銷售額平均為2 2 億美元，其中科氏流量儀表份額為4 2 億美元，占1 9 ， 而其它利，類的流量儀表僅不到8 ?？梢姟ｋm然到今天為止，科氏質(zhì)量流量測量技術(shù) 還在發(fā)展成熟之中，但其強大的生命力已經(jīng)為世人所公認。 13 2 國外的c m f 發(fā)展現(xiàn)狀 “：是由于c m f 有很多優(yōu)點，其在全世界的工業(yè)界以及其他領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng) 用，有著廣闊的發(fā)展前景和極大的市場利潤，因此有許多廠家，特別是歐美的廠家 紛紛研制出基于科氏力的流量測量儀表。1977 年，美國的m i c r o m o t i o n 公司首 先推出了u 型振動管科氏力質(zhì)量流量計，此種流量計一問世，便顯示出強大的生命 力。自從第一臺c m f 問世以后，世界各國的流量計制造廠家紛紛仿制和研究7 j ：發(fā)， 出現(xiàn)各式各樣檢測管的科氏質(zhì)量流量計?，F(xiàn)在c m f 仍是國外個大流量計廠家大力研 究的題目。國外技術(shù)發(fā)展很快，僅就測量管而言，在原來u 形管的基礎(chǔ)上，已相繼 開發(fā)出直管，環(huán)形管等多種形式并形成產(chǎn)品，儀表的整機性能指標和智能化程度己 達到相當高的水平。目前美，英，德，丹麥，日本等國已有l(wèi)0 余家公司提供產(chǎn)品， 其精確度已可達0 2 。到l 988 年已有13 家企業(yè)推出自己開發(fā)的產(chǎn)品。雖然產(chǎn) 品的檢測管的形式有u 形管，直管，復(fù)合管等多種，但原理都是相同的。美國的 m i c r o m o t i o n 公司生產(chǎn)的c m f 是u 形管型的代表，由于該公司最早推出了科氏質(zhì) 量流量計，其產(chǎn)品在市場上占主要地位，l983 年其銷售額就流量計而言在美國 居第三位。實際裝機量達到l20o0 l400o 臺1 5 1 。其產(chǎn)品的特點是規(guī)格齊全， 工藝精湛有良好的聲譽。現(xiàn)咳公司已并入自動化設(shè)備的著名公司r o s e m o u n t f i s h e r 。 直管型的代表是德國e + h 公司和丹麥的d a n f o s s 公司的產(chǎn)品。下表列出現(xiàn)今世界 j j 有代表性的幾種產(chǎn)品和比較詳細的參數(shù)比較。表l l 世界各國主要的c m f 生產(chǎn) 廠商及產(chǎn)品，性能目前在c m f 市場占有份額上，美國m i c r o m o t i o n 公司占65 ， e + h 和d a n f o s s 合計占25 ，其它各國的幾十家公司合占l0 左右。 自從m i c r o m o t i o n 公司1 9 7 7 推出第一臺c m f 以來，其他各國的許多公司紛紛 推出各自的產(chǎn)品。許多新型的質(zhì)量流量計仍不斷的在市場出現(xiàn)，主要表現(xiàn)在以下幾 個方面。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 表卜1 公稱通 流攔范圍精確度溫度范圍輸出信號 適用的流體 制造公司型號徑 ( 1 1 1 1 7 1 ) ( k g m i n ) ( )( )種類 d s 0 0 6i 5 o _ 0 9 l- 2 4 0 + 2 4 0 模擬量 d s o l 23o 一5 同上o 一5 v m i c r o d s 0 2 560 一l8 - 2 4 0 葉1 7 7卜一5 v m o r i o n d s 0 4 01 00 5 5- 2 4 0 一+ 2 0 40 2 0 m ag ，h ，l ， d s l 0 02 50 4 5 5 十o 2 r 同上4 2 0 m as ，t ( 熒聞) d s l 5 04 00 一1 2 7 0同上頻率量 d $ 3 0 08 00 3 1 8 0同上l 1 0 k d $ 6 0 01 5 00 9 0 9 0 同上可調(diào) 8o 一3 3模擬量 1 50 1 0 8流量的o 2 0 m a e n d r e s s + m p o i n l2 50 3 0 02 0 爐4 2 0 m ag 。h l ， h & u s e5 0 _ + 1 5 0 ( 德國) d q 6 0 03 2 4 00 5 0 01 0 0 時頻率量 s ，t ，c 5 0 0 一1 1 6 7+ 0 2 5 r l 1 0 k 8 0 0 2 0 0 0 可調(diào) r h m 0 0 7j 5 0 0 0 4 巾0 8 r h m 0 l1 5 00 0 1 5 _ 0 3 模擬量 r h m 0 3l5 0 1 2標準型 0 一1 0 v r h m 0 41 5 02 _ 42 0 斗1 2 0 2 一i o v b o p p & r e u r h m 0 62 505 一i o特殊型 o 2 0 m a t h e rr h m 0 82 5 i 一2 00 2 r 2 0 0 葉5 0 4 2 0 m a s ( 德同)r h m l 22 52 4 00 2 1 0 頻率量 r h m i52 54 8 00 3 5 0 1 一1 0 k r h m 2 05 0 6 一1 2 0 r h m 3 05 01 0 2 0 0 可調(diào) r h m 6 08 0 4 0 8 0 0 m f s 2 0 0 1 2 s模擬量 m f s 2 0 0 4 0 s 1 0i2 1 2 o 一2 0 m a k r o h n em f s 2 0 0 - 8 0 s l o4 - 4 0 4 2 0 m a ( 德國)m f s 2 0 0 2 5 0 s 1 58 8 0 1 02 r 5 0 葉2 0 0g ，t ，l ，s 2 52 5 2 5 0 頻率量 m f s 2 0 0 6 0 0 sl 1 0 k 4 06 0 - 6 0 0 可調(diào) f i s h e r 8 3 0 0 e x l 21 00 5 4 5 81 8 模擬量 c o n l r o l 8 3 0 0 e x l 2 01 50 5 4 5 - 8 i 8+ 0 1 5 r 0 1 0 m a e x a c 8 3 0 0 e x l 2 0 02 51 0 9 1 8 l8零點1 ；穩(wěn)7 5 斗1 4 8 4 2 0 m a 8 3 0 0 e x 3 0 0 08 06 1 1 8 2 0 4 5 定性 頻率量 g ，t ，l ，s ( 美嘲)l 1 0 k 8 3 0 0 e x 9 0 0 01 0 02 4 5 5 - 6 1 3 6 可調(diào) 量程比為 模擬量 c f s l 0 - 0 360 0 弘91 0 ：i 時為1 3 5 - + 1 9 5 0 2 0 m a f o x b o r o c f s i o 0 51 50 4 - 4 0+ o 2 2 0 0 + 1 9 5 4 2 0 m a c f s l 0 0 82 00 9 9 05 0 ：1 時2 0 0 _ + 1 9 5g ，t ，l ，s ( 美國)頻率量 c f s l o 1 02 51 8 - 1 8 0 i - 5 0 - + 1 9 5 c f s l o 2 03 07 7 0 01 0 0 ：l 時5 0 _ 十1 7 0 l 1 0 k 司調(diào) 2 r 6 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 公稱通 流量范幽精確度溫度范周輸出信號適用的流體 制造公吲型號徑 ( m m ) ( k g m i n ) ( )( )種類 $ 2 5 a0 5 - 9 量程比為 模擬量 s m i t h$ 5 01 2 7 2 52 2 6 6 5 ：i 0 2 0 m a m e 把fs 1 0 02 5 5 01 25 3 7 5 時為 ( 美國)$ 2 0 05 0 8 03 4 - 3 7 5 + o 2 1 - 7 5 - + 2 0 04 2 0 m ag ，l 零點小穩(wěn) 頻率量 $ 2 5 08 0 1 0 05 4 一1 6 3 31 5 0 0 定性 m 0 1 2 m 0 2 0 ，m 0 2 5 95 00 9 9 s c h l i m m 0 5 0 m 0 7 59 5 1 2 7 0 3 6 3 6 b e t g r m 0 9 5 6 8 - 1 3 6十0 1 5 r模擬量 ! 零點不穩(wěn) 4 0 + 2 0 40 2 0 m ah ，s ，l ( 美國)m 1 0 0 ，m 1 5 02 5 5 0 5 - 5 0 0定性 數(shù)字脈沖 m 1 9 5 m 2 0 0 ，m 2 5 05 0 1 0 0 1 4 5 1 4 5 0 m 1 9 5 ( 1 ) 儀表測量管結(jié)構(gòu)形式的變化。自美國首先推出u 型管的科里奧利質(zhì)量流量 之后，各國各廠家接踵而至。各生產(chǎn)單位為了躲避相關(guān)專利保護，先后推出了q 形管b 形管s 形管，直管型等原理相同結(jié)構(gòu)形式不同的產(chǎn)品。為了提高儀表的靈 敏度，精度和穩(wěn)定性擴大儀表的量程，結(jié)構(gòu)也不斷的改進。如德國的e + h 公司， 過去生產(chǎn)的是直管式的c m f ，近兩年又推出了微彎曲雙驅(qū)動器式的新產(chǎn)品，不僅可 以提高靈敏度，精度，而且有望發(fā)展大口徑的產(chǎn)品( 原來該公司產(chǎn)品最大1 2 1 徑是 8 0 c m ) 。 ( 2 ) 新系列( 大管徑) 質(zhì)量流量計的開發(fā)。為了擴大儀表的應(yīng)用領(lǐng)域，各家均 在原中小口徑產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，開發(fā)大口徑，甚至超大口徑的產(chǎn)品，以適應(yīng)不同用戶 的需要。r o s e m o u n t 公司生產(chǎn)的c m f 的最大口徑已達1 5 0 c m ，現(xiàn)正開發(fā)2 0 0 c m 甚 至更大口徑的產(chǎn)品。 ( 3 ) 各種行業(yè)專用，不同材質(zhì)的質(zhì)量流量計的發(fā)展。質(zhì)量流量計測量管材質(zhì)對 蝴世用的推有極大的影響，尤其是c m f 的材料，既是結(jié)構(gòu)材料，又是功能材料。 0 ；同的使用環(huán)境對其有不同的要求?，F(xiàn)在浚測量管的材料不僅采用s u s 3 1 6 l ，進而 采用哈式合金，鈷，鈦等稀有金屬的產(chǎn)品也相繼問世，適用于各種腐蝕嚴重，衛(wèi)生 條件要求嚴格的場所。 ( 4 ) 開發(fā)一表多用途徑。c m f 主要用于測量液體的質(zhì)量流量，但根據(jù)其原理， 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 電可測量液體的密度。但由于該表價格很高，人們正在開發(fā)其深層功能?，F(xiàn)在一臺 科氏質(zhì)量流量計，也可測量兩種混合液體的質(zhì)量流量。在高壓力下流動的氣體，因 其密度增高，也可用此表測量氣體的質(zhì)量流量。因此，有些廠家在儀表出廠時，規(guī) 定最低的被測介質(zhì)密度。如廠家規(guī)定的最低測量密度為5 0 公斤立方米，則必須在 3 9 m 帕的壓力下，才能測量流動的空氣質(zhì)量流量。據(jù)稱h e i n c r i h s 公司的t m 系列儀 表，可測2 k g m 3 密度的氣體。 ( 5 ) 力求降低儀表的價格。c m f 是一種優(yōu)秀的流量計量儀表，但價格昂貴。國 外臺價格在5 0 0 0 1 2 0 0 0 美元之刪，1 5 0 c m 口徑的則高達3 0 0 0 0 美元?，F(xiàn)在有2 0 多家廠家生產(chǎn)c m f ，為了提高產(chǎn)品的競爭力，從長遠來看，必須力求降低價格。據(jù) e x a c 公司聲稱其新開發(fā)的s 系列，價格是以前產(chǎn)品價格的一半。 1 3 3c m f 在我國的發(fā)展和應(yīng)用 由于科氏質(zhì)量流量計的顯著的優(yōu)點，在我國也應(yīng)用廣泛，但目前國內(nèi)需求不要 依賴進口。 c m f 作為一種新出現(xiàn)的流量測量儀表，技術(shù)尚不是很成熟。而在我國，由于技 術(shù)難度大，效益周期長，因而研究和開發(fā)的進展比較緩慢。盡管有許多科研單位和 l 匐等院校曾經(jīng)進行或正在進行該項目產(chǎn)品的研制，但生產(chǎn)廠家極為有限，且產(chǎn)量極 小。因此國內(nèi)應(yīng)用的廠家只能主要依賴進口，但需求量卻在逐年增加。這些儀表廣 泛應(yīng)用在石化，化工，建材玻璃及工業(yè)窯爐的測量和控制中。 科氏質(zhì)量流量計在我國有極其廣泛的應(yīng)用前景，僅以工業(yè)窯爐鍋爐而言，有幾 十j 臺以重油為燃料，需要大量的質(zhì)量流量計進行測量和計量，而科氏質(zhì)量流量計 是最好的選擇，因為它能測量高黏度的液體，因此迅速發(fā)展我國自己的c m f 工業(yè)生 產(chǎn)，是當務(wù)之急。 由于我國處在經(jīng)濟告訴增長期，加之擁有大量流程生產(chǎn)企業(yè)，因而對科氏流量 儀表的需求十分迫切和巨大，但我國目前尚無具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生產(chǎn)能力，僅在 上海有合資企業(yè)為國外廠家提供輔助加工。國內(nèi)眾多的儀表廠家也只有兩家能仿造 國外產(chǎn)品，但產(chǎn)品品種有限，技術(shù)成熟性和產(chǎn)品質(zhì)量等方面仍有不少問題，遠不能 滿足國內(nèi)廣大用戶的需求，更談不上抵制國外產(chǎn)品的一統(tǒng)天下和自主知識產(chǎn)權(quán)產(chǎn)品 的出口創(chuàng)匯。 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 上述局面為我國流量領(lǐng)域?qū)＜液蛷V大企業(yè)用戶所痛惜，大家一致認為，立即啟 動科氏流量儀表的研發(fā)項目，大力且快速發(fā)展我國自己的科氏流量儀表技術(shù)是當務(wù) 之急。國家科技部，稅務(wù)總局和海關(guān)總署聯(lián)合頒發(fā)的中國高新技術(shù)產(chǎn)品目錄中 已把質(zhì)量流量計( 儀表) 列為重點發(fā)展和優(yōu)先支持的產(chǎn)品( 編號為0 4 0 2 0 1 0 7 ，級別 為最高+ 十十) 。 近年來，我國在c m f 方面的研制工作還是取得了一定的進展，甚至某些產(chǎn)品已 經(jīng)能達到國外廠家生產(chǎn)同類產(chǎn)品的水平，但是作為批量產(chǎn)品的綜合性能，與國外尚 有相當?shù)牟罹?，主要原因在于?( 1 ) 原材料性能不一致。目前我國生產(chǎn)的c m f 品種有限，主要原材料( 測量 管) 是3 1 6 l 不銹鋼。生產(chǎn)廠不同時間，甚至同一時間生產(chǎn)的不同爐次煉出來的不銹 鋼的性能( 如楊氏模量，剪切模量) 不同，對要求嚴格的c m f 而言，很難達到產(chǎn)品 性能的一致性。 ( 2 ) 目前國內(nèi)生產(chǎn)自動化水不高，測量管基本上是手工或者半機械化加工( 而 國外大多采用機器人進行測量管的加工) ，因此很難保證產(chǎn)品的一致性。 ( 3 ) 大口徑( 1 5 0 m m 以上) 測量管的加工技術(shù)尚未成熟。 科氏質(zhì)量流星計的出現(xiàn)，可以隨是流量儀表的一次革命，我們必須大力投入這 方向的研究，推進我國儀表工業(yè)的發(fā)展。 1 4c m f 的一些問題【7 1 1 4 1 】 科氏質(zhì)量流量測量技術(shù)是一種比較新的技術(shù)，由于出現(xiàn)的時間還不長，還存在 著一些問題和不足，現(xiàn)歸納如下，供研究和應(yīng)用參考。 1 c m f 的零位漂移問題 c m f 系統(tǒng)的零點漂移根據(jù)其產(chǎn)生原因可分為兩種： ( 1 ) 機械部分引起的零漂 在數(shù)學(xué)上一般以薄殼振動方程( 彈性理論) 及n a i v e s t o k e s 方程( 流體力學(xué)) 的聯(lián)立解來描述c m f 振動管特性，此即c m f 的一階近似模型。根據(jù)此模型分析， c m f 的特性似乎并不受流體特性和安裝方式的影響，但實際應(yīng)用中觀察到的現(xiàn)象正 女h 反，這主要是由于在。階近似模型中有兩個近似，即微小振幅近似和無衰減近 9 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 似。但是，根據(jù)具有合適邊界條件的二次近似模型的更為實際的分析，儀表零漂來 源于兩個因素，及機械振動的非對稱性和衰減。事實上，邊界條件的非對稱性是客 觀存在的。詳盡的數(shù)學(xué)分析表明，影響機械振動對稱性的因素有管端固定方式( 焊 接或螺釘連接的) ，振動管的剛度，雙管諧振頻率不一致，材料的內(nèi)衰減等。流體的 粘度和密度的變化也影響儀表的零位，這是由于結(jié)構(gòu)的不平衡導(dǎo)致的。由于粘度引 起的振動衰減與頻率有關(guān)，這意味著即使在空管時候?qū)㈦p管的諧振頻率調(diào)整到一 致，存有流體流動時仍可發(fā)生零漂。 2 電子部分產(chǎn)生的零漂 從實際研究中發(fā)現(xiàn)。目前所有的c m f ，出于兩檢測管通道的電路特性不可能做 的完全一致，總存在著微小的偏差，這個偏差直接影響著最后整臺流量計的檢測精 度。尤其是兩通道相位差產(chǎn)生部分元器件的特性參數(shù)的不一致對測量結(jié)果的精度有 重要影響。 在溫度發(fā)生變化的情況下，做機械振動的檢測管由于彈性模量的變化會使經(jīng)拾 振器獲得的信號發(fā)生變化，同時，兩檢測管通道的電路因溫度變化而引起的變化也 可能不一致。這些因素的存在都使得c m f 的測量精度受到很大的限制。由于溫度變 化引起的零點的漂移稱為溫漂溫漂是零漂的一個重要組成部分。 綜上所述，c m f 的零漂是難以避免的，問題在于影響有多大。設(shè)計合理。制造 精密的c m f 可以最大限度的減小零漂。由于零漂基本上是一個固定值在流量下限， 零漂是不可忽視的。以m i c r o m o t i o n 公司的d s l 0 0 為例，其零漂為0 0 5 k g m i n ，其 最小量程下限為2 3 k m 3 ，此時零漂的引入誤差為o 2 2 ，按范圍比等于1 0 計算， 在下限流量時將引入2 2 的誤差。而設(shè)計不良的c m f 的零漂將更為不可忍受。 1 4 2c m f 的壓力損失問題 任何流量計都存在壓力損失，與某些流量計相比，c m f 的壓力損失并不特別嚴 重。決定壓力損失的主要原因有管形，流路全長及管內(nèi)流速等。為了減小高粘度流 體或者僅靠落差輸送時的壓力損失，有時必須在低流量情況下使用。而作為流量計， 流量越大，則精度越高壓力損失越大，因此在選用科氏流量計時要綜合考慮允許壓 力損失和流量精度，而且在測量非牛頓流體的時候，不能完全依靠廠家提供的壓力 損失特性曲線圖。有的公司為了滿足用戶提出的嚴格的壓力損失要求，在選擇規(guī)格 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 時放大了口徑，這是，壓力損失雖顯著減小，但儀表的精確度卻降低了。 14 3c m f 的密度影響 一股認為c m f 不受介質(zhì)密度的影響，但精確的實驗及理論分析表明，事實上并 非如此。圖表示了儀表誤差和密度的典型關(guān)系， 從圖中可以看出。如用水標定c m f 并用于測量水時，其密度影響可忽略不計( 不 考慮零漂影響) ，但用于測量其它介質(zhì)或者介質(zhì)溫度變化時，密度影響是存在的 ( d a n f o s s 公司的實驗結(jié)果) 。應(yīng)當特別注意的是，以水標定的c m f 用于測量氣 體質(zhì)量流量時( 尤其是壓力不高時) ，所引入的誤差是相當大的。 1 4 4c m f 的溫度影響 幽1 如前所述，c m f 振動管的楊氏模量的溫度影響雖然可以修正，但這只在一定程 度上消除振動管剛度變化的影響。溫度變化還引起其余一些復(fù)雜的影響，如溫度影 響密度，密度影響振動衰減，振動衰減影響零漂等。而生產(chǎn)廠家給出的工作溫度范 圍僅僅是根據(jù)材料結(jié)構(gòu)，制造工藝等因素確定的，卻沒有做有關(guān)溫度影響下的性 能測試。這意味著，儀表可在這范圍內(nèi)工作，但不意味著能保持常溫下測試的性能。 1 4 5c m f 測量氣體質(zhì)量流量的問題 國際標準化組織( i s o ) 經(jīng)多次討論已經(jīng)發(fā)布了c m f 的國際標準草案 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 i s o d i s 0 7 9 0 。在其中聲稱，c m f 可用于液體，氣體以及在一定限制條件下液氣混合 物或液固混合物的測量，作為國際標準，同時從發(fā)展的角度出發(fā)。這樣說是完全可 以的，但目前尚未以非液體介質(zhì)對c m f 進行詳盡的實驗。實際上，目前以c m f 測 量氣體質(zhì)量流量的可能性是很小的。以m i c r o m o t i o n 公司的d s l 0 0 為例來說明這個 問題，當測量氣體時，為了使空氣的密度達到1 0 0 k g m 3 ，此時絕對壓力達到8 4 0 8 x 1 0 5 p a ；當流量達到4 5 5 k g m i n 時( 即精確度保持o ，2 零點穩(wěn)定度) ，其流速將高達 1 5 4 5 n v s 。而此時的密度只有水的1 1 0 ，這樣的話。其密度影響誤差將相當?shù)拇?。?外，由于液體和氣體的物理性質(zhì)完全不同，能否保持以水標定的儀表的性能將成為 問題。 1 4 6c m f 測量液固兩相流的問題 可以認為，用c m f 測量含有少量雜質(zhì)的液體流量時，其可信賴度較高。除了引 起管壁磨損，從理論上分析，不應(yīng)有什么問題。當然密度的影響是存在的，這僅是 問題的另一個方面。 1 c m f 測量液體雙組分流問題 眾所周知，雙組分( t w o c o m p o n e n t ) 與雙相( t w o p h a s e ) 有很大的區(qū)別。 m i c r o m o t i o n 公司已相當成功的將c m f 用于測量水一油雙組分流體。其原理為： p 2 pi x l + p2 x 2 ( 1 1 ) x l = 卜x 2( 1 2 ) 將( 1 - 2 ) 4 , h ( 1 一1 ) 得 x 2 ；( p1 d ) ( pi p2 )( 1 - 3 ) 將( 1 3 ) 代入( 1 2 ) 得 x i = i 一( pi - p ) ( p1 一p2 ) q m i = q mx l ，q m 2 2 q mx 2 式中 p 雙組分介質(zhì)( 如水，油) 的混合密度 pi 水的密度，可設(shè)定 p2 油的密度，可設(shè)定 xj 水在雙組分介質(zhì)中的的體積分量，比值 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 x 2 油在雙組分介質(zhì)中的的體積分量，比值 q 。n _ 一總質(zhì)量流量 q 。i 水的質(zhì)量流量 q 。2 油的質(zhì)量流量 p ，q ?？捎蒫 m f 獲得，p l 和p2 可設(shè)定，故可計算出q 。1 和q 。2 。具體實施 時可在存儲器存入溫度與特定介質(zhì)密度的關(guān)系式。測量時就無須設(shè)定pi 和p2 這種 應(yīng)用基于某種假設(shè)，即認為兩種不同液體的密度，粘度較為接近，組分間的滑移可 以忽略。事實上，作為粗略的測量，其測量精度常常是可以接受的。 2 c m f 測量氣液雙相流問題 制造商經(jīng)常聲稱他們的c m f 可以測量少量含氣的氣液雙相流，但實測表明不應(yīng) 全信。_ f 圖給出了含氣液體測量誤差曲線， 從圖中可以看出，當液體中含3 ( 體積比) 以下的游離氣體時，儀表的精確度 尚可保持；當含氣量上升到5 時，儀表誤差達1 0 ，已經(jīng)使測量意義不大。因此， 可以這樣認為c m f 基本不適合于測量含氣液體的流量。 10 5 0 0 5 10 幽2 - 2 1 4 7 空化效應(yīng)( c a v i t a t i o n ) 和噴瀉( f l a s h i n g ) 不適當?shù)陌惭b會引起管道中的空化效應(yīng)。如管道中存在引起旋渦流的阻力件時， 導(dǎo)致局部壓力降至液體的真空壓力以下，此時將出現(xiàn)空穴，空化現(xiàn)象將嚴重影響儀 華中科技大學(xué)碩士學(xué)位論文 表的測量精確度，甚至導(dǎo)致儀表損壞。