質量流量計的原理及其性能優點

史安明，鄭士君

（上海海事大學 輪機工程系，上海 200120）

1 引言

流量與溫度、壓力、物位一樣是工業過程控制中非常重要的物理量。以前在很長的一段時間內測量過程中使用的都是體積測量法比如：橢圓齒輪流量計、壓差式流量計、流體阻力式流量計、電磁流量計等［2］，在體積測量的基礎上再通過一系列的換算轉化到質量流量。這種測量經過多個中間環節，累計誤差比較大。科氏質量流量計是一種用于直接測量質量流量的流量計，它在原理上消除了溫度、壓力、流體狀態、密度等參數的變化對測量精度的影響，可以適應氣體、液體、兩相流、高黏度流體和糊狀介質的測量。

2 科里奧利流量計的基本原理

2.1 科里奧利力

當質量為m的物體在以角速度為ω的轉動系統中作直線運動時，除受到離心力外還受到科里奧利力簡稱科氏力，公式表示為：

科里奧利的方向滿足右手法則，垂直于v與w所組成的平面［1］，如圖1所示。

圖1 右手法則

2.2 質量流量計的構成及原理

U形管的質量流量計是彎管流量計中最經典、最簡單的一種其由傳感器和轉換組成。核心部分是它的傳感器，其結構如圖2所示。

圖2 傳感器示意圖

傳感器主要由分流器，測量管，左右檢測線圈，驅動線圈構成。流體由入口進入測量管，測量管在驅動線圈的作用下以固定的頻率發生微小的振動。這相當于是U形管繞固定軸（OO軸）做周期性的旋轉運動。這樣就建立了以固定軸（OO軸）的旋轉體系如圖3所示。

圖3 固定軸旋轉體系示意圖

當測量管向上振動時，此時流體由進口處向U形管頂部流動，測量的振動角速度為ω，由右手法則可以定出ω的方向，由于流體是在旋轉體系中運動所以受到科里奧利力的作用，科里奧利力的確定滿足右手法則，所以進口段受到的科里奧利力是向下的，出口段由于流體的流向與進口相反所以科氏力是向上的，當測量管向下振動時進出口段的科氏力方向正好與測量管向上振動時方向相反。

現設進口段流體的流速為v，流體的密度為ρ，測量管的截面積為s，則質量流量（單位時間內通過某一橫截面的流體質量）可以表示為：

由于測量管繞OO軸以角速度ω轉動，取沿管道長為Δl的一個任意元段的流體為研究對象，并設它的質量為Δm，沿管道的流速為v，則在管道參考系中觀察，符合v⊥ω就可以得到流體在微元段Δl所受到的科氏力表示為：

因為測量管進出口段所受的科氏力是均勻分布的，所以單位長度上的科氏力表示為：

公式4表明管道上流體所受的科氏力與流體的質量流量成正比，而與流體的物理性質無關。測量管在驅動線圈的作用下做的是小幅度的振動，測量管振動的應力不會超過其彈性限度值，從而可以保證測量管的正常振動。流體不流動時，測量管系統的振動稱為主振動，其固有頻率為νo（一般為80Hz到100Hz），驅動器以頻率為ν的簡諧力激勵測量管做受迫振動，并達到穩定的諧振狀態。在彎管轉角處的2個對稱的測量點上各有一個測量線圈，在測量點上各有一個電磁感應信號檢測器，經過數字信號處理系統（DSP）取樣濾波后，分別輸出在進出口段相應點的振動基波的正弦波信號。當管中的流體不流動時，2個測量點主振動的位移是同步的，2個檢測器輸出的是同相位的正弦波信號。當流體流動時由于進口段所受到的科氏力與主振動方向相反，所以使得管子上各點較主振動滯后，出口段受到的科氏力與振動方向相同致管子上各點較主振動超前，兩者在相位上存在一個時間差（Δt）。并且由于力偶的作用使測量管發生一個微小角度的偏移如圖4所示。

設進出口直腿段的長度為a，測量管的回彎寬度為2r，所以由科氏力產生的力矩M表示為：

圖4 “U”形管通過最大扭曲中心平面OO的幾何尺寸

設管子的角彈性系數為Ks，平衡時有（參見圖4）M=Ksθ，代入式（5）：

當管子振動通過最大扭曲中心平面О′О′時，有2rsinθ=h（參見圖4），當θ很小時，有sinθ≈θ，則2rθ=h，同時我們注意到“U”形管繞OO軸振動時有：

式中，Δt為進出口段測量點上在相位上的時間差，即：

將（8）式代入（6）式則有：

由（9）式可知質量流量與兩組電磁監測器監測出的信號成正比，而與振動的頻率及角速度都無關，根據這一原理，質量流量計將Δt轉換成脈沖信號或電流信號，電壓信號輸出并顯示流體質量，從而解決了質量流量的直接測量問題［4］。

3 質量流量計的性能優點

在船舶燃油的流量測量方面使用了幾種類型的流量計，有靶式流量計、橢圓輪流量計、渦輪式流量計和科氏力質量流量計，這幾種流量計的工作原理有很大差別，各有各的性能特點，為什么最終選擇了科氏力質量流量計，本文將幾種流量計的性能特點列成表格，見表1。

表1 幾種流量計性能對比表

從表1中可以直接看出科式質量流量計有很明顯的優點，能直接測量質量流量。另一方面，靶式流量計的穩定性較差，現場還要安裝冷卻水管；橢圓輪流量計和渦輪流量計一般要安裝過濾器，齒輪或軸承在運行一段時間后會受到磨損，需要定期更換，還必須有充足的備品備件，可見使得在船舶上的日常的檢修、維護工作比較繁重［3］。而質量流量計克服了以上的缺點，能準確地進行入燃油的計量，維護工作也比較少。通過使用質量流量計促進了船舶燃油在“收、發、放、管、用”各個環節管理水平的提高，增強了管理的責任意識，基本杜絕船舶燃油盈虧事故的發生。再次是通過使用質量流量計杜絕了成本支出誤差，降低“單耗”成本支出。

4 安裝要求及其維護

4.1 安裝要求

（1）傳感器和變送器出廠前是配套標定的，安裝時須一一對應。如果更換了變送器，又沒有重新配套標定，雖可通過組態重新輸入參數使系統運行，但卻可能產生一定的系統誤差。

（2）傳感器、變送器及電纜安裝應盡量避免電磁干擾，如應遠離大型電動機、繼電器等。

（3）傳感器振管內應保證充滿被測介質，盡量避免夾氣。例如，可在流量計前安裝消氣器，提高出口背壓等；針對不同性質的被測介質，有T型、⊥型及旗式等3種安裝方式。

（4）為保證流體均勻、均質地通過振管，傳感器應安裝在節流裝置、阻流元件之前，或是安裝在一定長度的直管段之后。

（5）傳感器法蘭前后（6～10）D處必須加裝具有足夠剛度和質量的支撐，且支撐必須與管線可靠固定，避免管道振動干擾振管振動，引起測量誤差。

（6）安裝時傳感器與管道要同軸對準，無論軸向還是徑向，均應盡量做到無應力安裝。

4.2 流量計的常見故障

4.2.1 硬件故障

（1）安裝不規范。不規范的安裝可直接導致流量計零點漂移，帶來測量誤差；若安裝錯誤則流量計不能工作。

（2）接線問題。接線錯誤時變送器無法工作。如果接線時不認真，導致線圈回路阻值過大或過小，輕者帶來測量誤差，重者變送器無法工作。

（3）工藝介質變化。若測量介質出現夾氣、氣化或兩相流等現象，變送器會發出報警提示；嚴重時變送器停止工作。

（4）變送器失效。變送器某部分器件有故障，可能導致變送器零漂超限帶來測量誤差；或者某部分器件失效，導致變送器失效無法工作；或者變送器的某種功能失效。此類故障可通過更換變送器來簡單判斷。

（5）傳感器失效。傳感器測量管若滲漏，測量介質會注滿表殼，導致測量管振動阻尼增大，變送器驅動電壓隨之飆升；或者介質溫度過高，損傷測量管上的線圈，導致驅動、檢測電壓失衡。

4.2.2 軟件故障

（1）參數設置有誤。不正確的流量和密度系數必然造成測量誤差；若系數相差太大，則變送器報警并停止工作。

（2）零點校準有誤。流量計安裝后（包括新安裝和拆下后再安裝）必須嚴格按要求進行零點校準，否則會造成誤差；長期運行未拆御的流量計也要定期進行零點校準，以消除安裝后的應力累積效應。

5 結語

科氏力質量流量計是一種設計先進，性能優異的流量計，它的技術含量高，包含有很多項功能，測量精度僅與傳感器左右檢測時間差信號有關，因此在很多領域得到了越來越廣泛的應用［4］。質量流量計在船舶上應用能使燃油管理效率大幅度的提高，是一種值得推廣應用流量計。對輪機工作人員而言，則需要熟悉掌握各項功能，精通操作方法，更好地使用質量流量計，做好燃油計量的工作。

［1］周衍柏.理論力學教程［M］.北京：人民教育出版社，1979.

［2］胡子伯.科里奧利質量流量計的應用及性能評定［J］.計量與測試技術，2001（4）：9～10.

［3］許 秀.科里奧利質量流量計原理及其應用［J］.工業儀表與自動化裝置，2005（1）：17～18.

［4］吳道悌.非電量電測技術［M］.西安：西安交通大學出版社，2001.