美國羅斯蒙特ROSEMOUNT流量計工作原理
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（上海）傳感器儀表有限公司  王杰
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羅斯蒙特質(zhì)量流量計廣泛應用于石化等領(lǐng)域，是當今世界上*流量測量儀表之一，在我廠主要產(chǎn)品如乙烯、丙烯和主要原料輕烴等的測量中使用可靠，精度高達1.7‰，為我廠的能源、物料的流量測量提高了準確度，避免了不必要的損失，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟效益。           
羅斯蒙特質(zhì)量流量測量原理               
一臺質(zhì)量流量計的計量系統(tǒng)包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。
Rosemount質(zhì)量流量計依據(jù)牛頓第二定律：力=質(zhì)量×加速度(F=ma)                
1)切向角速度αt，即科里奧利加速度，其值等于2ωV，方向與αr垂直。由于復合運動，在質(zhì)點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對質(zhì)點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。
2)當質(zhì)量為m的質(zhì)點以速度V在對P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動時，質(zhì)點受兩個分量的加速度及其力：              
法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于2ωr，朝向P軸；               
當密度為ρ的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動時，任何一段長度Δx的管道將受到一個切向科里奧利力ΔFc： ΔFc=2ωVρAΔx (1) 式中，A—管道的流通截面積。                
由于存在關(guān)系式：mq=ρVA                
所以：ΔFc =2ωqmΔx (2)              
因此，直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管中流 動流體的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量。              
傳感器內(nèi)是U型流量管(圖2)，在沒有流體流經(jīng)流量管時，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅(qū)動線圈驅(qū)動，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz，流體流入流量管時被強制接受流量管的上下垂直運動。在流量管向上振動的半個周期內(nèi)，流體反抗管子向上運動而對流量管施加一個向下的力；反之，流出流量管的流體對流量管施加一個向上的力以反抗管子向下運動而使其垂直動量減少。這便導致流量管產(chǎn)生扭曲，在振動的另外半個周期，流量管向下振動，扭曲方向則相反，這一扭曲現(xiàn)象被稱之為科里奧利(Coriolis)現(xiàn)象，即科氏力。      
根據(jù)牛頓第二定律，流量管扭曲量的大小*與流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量大小成正比，安裝于流量管兩側(cè)的電磁信號檢測器用于檢測流量管的振動。當沒有流體流過流量管時，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩側(cè)電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的(圖3)；當有流體流經(jīng)流量管時，流量管產(chǎn)生扭曲，從而導致兩個檢測信號產(chǎn)生相位差，這一相位差的大小直接正比于流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量。  由于這種質(zhì)量流量計主要依靠流量管的振動來進行流量測量，流量管的振動，以及流過管道的流體的沖力產(chǎn)生了科氏力，致使每個流管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)量與振動周期內(nèi)流過流管的質(zhì)量流速成正比。由于一個流管的扭曲滯后于另*管的扭曲，質(zhì)量管上的傳感器輸出信號可通過電路比較，來確定扭曲量。       
電路中由時間差檢測器測量左右檢測信號之間的滯后時間。這個“時間差”ΔT經(jīng)過數(shù)字量測量、處理、濾波以減少噪聲，提高測量分辨率。時間差乘上流量標定系數(shù)來表示質(zhì)量流量。由于溫度影響流管鋼性，科氏力產(chǎn)生的扭曲量也將受溫度影響。被測量的流量不斷由變送器調(diào)整，后者隨時檢測粘在流管外表上的鉑電阻溫度計輸出。變送器用一個三相的電阻溫度計電橋放大電路來測量傳感器溫度，放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)化成頻率，并由計數(shù)器數(shù)字化后讀入微處理器。    
羅斯蒙特密度測量原理       
流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結(jié)構(gòu)可看做一重物懸掛在彈簧上構(gòu)成的重物/彈簧系統(tǒng)，一旦被施以一運動，這一重物/彈簧系統(tǒng)將在它的諧振頻率上振動，這一諧振頻率與重物的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量流量計的流量管是通過驅(qū)動線圈和反饋電路在它的諧振頻率上振動，振動管的諧振頻率與振動管的結(jié)構(gòu)、材料及質(zhì)量有關(guān)。振動管的質(zhì)量由兩部分組成：振動管本身的質(zhì)量和振動管中介質(zhì)的質(zhì)量。每一臺傳感器生產(chǎn)好后振動管本身的質(zhì)量就確定了，振動管中介質(zhì)的質(zhì)量是介質(zhì)密度與振動管體積的乘積，而振動管的體積對每種口徑的傳感器來說是固定的，因此振動頻率直接與密度有相應的關(guān)系，那么，對于確定結(jié)構(gòu)和材料的傳感器，介質(zhì)的密度可以通過測量流量管的諧振頻率獲得。  美國羅斯蒙特ROSEMOUNT流量計工作原理    
利用流量測量的一對信號檢測器可獲得代表諧振頻率的信號，一個溫度傳感器的信號用于補償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化，振動周期的測量是通過測量流量管的振動周期和溫度獲得，介質(zhì)密度的測量利用了密度與流量管振動周期的線性關(guān)系及標準的校定常數(shù),科氏質(zhì)量流量傳感器振動管測量密度時，管道鋼性、幾何結(jié)構(gòu)和流過流體質(zhì)量共同決定了管道裝置的固有頻率，因而由測量的管道頻率可推出流體密度。變送器用一個高頻時鐘來測量振動周期的時間，測量值經(jīng)數(shù)字濾波，對于由操作溫度導致管道鋼性變化，進而引起固有頻率的變化進行補償后，用傳感器密度標定系數(shù)來計算過程流體密度。   羅斯蒙特流量計/美國ROSEMOUNT流量計工作原理   
信號特性       
羅斯蒙特公司的變送器為模塊化并帶有微處理器功能，配合ASICS數(shù)字技術(shù)，可選擇數(shù)字通信協(xié)議。它與傳感器連接使用可獲得高度的質(zhì)量流量、密度、溫度和體積流量信號，并將獲得的信號轉(zhuǎn)換為模擬量、頻率等輸出信號，還可使用275型HART協(xié)議通信手操器或AMS、Prolink軟件對其組態(tài)、檢查及通信。   
SP數(shù)字信號處理器特性       
DSP數(shù)字信號處理器是一個實時處理信號的微處理器，在科里奧利流量計里，我們使測量管在一個已知的頻率下振動，因此任何在此振動頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準確地確定質(zhì)量流量。例如，一個50Hz或60Hz的信號很可能來源于與附近動力線的耦合。如何在實際上“過濾”這些多余的信號則需要一些更多的在那時刻所得到的背景信息，圖8表明了噪聲如何出現(xiàn)在原轉(zhuǎn)換器信號上，以及被過濾后的zui終信號。       
與使用時間常量去阻抑和穩(wěn)定信號相比，使用數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)的主要好處之一，是能夠以一個被提高了的采樣率去過濾實時信號，減少了流量計對流量的階躍變化的響應時間。使用多參數(shù)數(shù)字(MVD)變送器的響應時間比使用模擬信號處理的傳統(tǒng)變送器快2~4倍，更快的響應時間會提高短批量控制的效率和度。       
DSP技術(shù)另一個頗有價值且更富有挑戰(zhàn)性的應用實例是氣體測量，因為高速氣體通過流量計會引起較嚴重的噪聲。通過高準Elite系列傳感器，與流量信號混雜的噪聲被減至zui校現(xiàn)在DSP技術(shù)能更好地濾波，并進一步減小了質(zhì)量流量計對噪聲的敏感度。采用MVD變送器測量氣體的結(jié)果在重復性和度上都有了顯著提高。        
DSP技術(shù)提供了一個“通往處理的窗戶”，當瀏覽這個窗戶時，首先集中在測量管振動頻率附近的信號上。實際上，有意地拋棄了其余的信息，很可能正是隱藏在這些“無用的”數(shù)據(jù)里的信息會鋪平通往新的診斷技術(shù)的道路。例如，頻譜分析可能會引導我們?nèi)〉迷趭A雜空氣或團狀流動流體測量上的進展，流體在測量管內(nèi)壁的附著也是另一個有希望被DSP技術(shù)檢測到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預測傳感器的故障。  
測量環(huán)境的影響           
1.流體密度影響       
流體密度變化改變流量測量系統(tǒng)的質(zhì)量，從而使流量傳感器的平衡發(fā)生變化，導致零點偏移。如果測量某一特定液體，只要在實際使用的液體密度條件下調(diào)零，使用過程中的密度變化不大，一般不存在問題。但在一根管道上測量密度差別較大的幾種液體時，會帶來零點變動的附加誤差。
2.流體壓力的影響       
首先考慮流體壓力不應超過規(guī)定工作壓力，其次考慮靜壓變化影響的程度。壓力變化影響測量管繃緊程度和布登效應的程度，以及破壞測量管不對稱的原零點偏置。雖然儀表常數(shù)變動和零漂很小，但是使用壓力時和校準時相差甚大時，對于高度儀表影響值還是不能忽視的。小口徑儀表壁厚管徑比大，影響?。淮罂趶絻x表壁厚管徑比較。
3、流體粘度影響       
羅斯蒙特公司的科氏力質(zhì)量流量計CMF可測量液體粘度的范圍很寬，并呈現(xiàn)良好的測量性能。雖有報告論及粘度影響測量度，但很少有試驗數(shù)據(jù)。液體粘度會改變系統(tǒng)的阻尼特性，從而影響零偏置；在低流量時對流量測量值有一定程度的影響。      

4、雙相流體中異相含量影響       
制造廠常稱含有百分幾體積比游離氣體影響測量不大。當測量氣泡小而分布均勻的液體，如冰淇淋和相似乳化液，影響可能是相對的。含氣泡1%時有些型號無明顯影響，有些型號誤差為1%～2%，其中一臺雙管直管式則高達10%～15%；含氣泡10%時，誤差普遍增加到15%～20%，個別型號高達80%。
經(jīng)過不懈的努力，成立10年來公司已與眾多電子液壓元件供應商建立了極其密切的合作關(guān)系。
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美國羅斯蒙特ROSEMOUNT流量計工作原理