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科里奥利流量计,是一种万能的技术?

作者:Jerry Stevens Endress+Hauser2011.04.03阅读 4398

        科里奥利计已经存在了超过20年,它最初被认为是一种复杂的技术,仅仅适用于受限质量流量测量应用,但是时至今日,变化颇多。今天,科里奥利计不仅仅被广泛应用于液体和气体的质量流量测量领域,还用于测量密度、温度和粘度。仅仅一台设备就可以实现这些测量,无需额外的设备或者采样管线,简化了测量系统,降低了生命周期成本。
        由于具有多变量测量能力控制工程网版权所有,科里奥利计在广泛的领域内大放异彩,包括贸易交接、API引力测量和纵剖分析。
        这些能力是否使科里奥利计真正成为一种可以应对流量测量和相关测量的万能技术?
        基础科里奥利计
        基础的科里奥利计结构包括2只或单只可以摆动的测量管(图1),测量系统内部驱动或者震荡以达到其共鸣频率。电子传感器与测量管连接,监视测量管频率以及进口端和出口端的信号相位偏移差。

图1:一台科里奥利计具有1只或者2只测量管,用于检测流量。偏转量、科里奥利力Fc与质量流量m成正比。

        在流量为0时控制工程网版权所有,即当液体或气体媒质处于静止状态时,没有线性移动,也没有力量从媒质传导到管道上。此时,测量系统被称为初相位。
        一旦媒质流动,由震荡测量管导致的位移会使流动媒质的线性位移加倍。这导致一种不对称力,被称为科里奥利力,使测量管发生扭曲。
        在进口端和出口端的电子传感器记录相位差,实际上就是相对于时间的位置变化,这个周相差与质量流量直接成正比。
        科里奥利计测量质量流量的精度最高可达±0.05%,在很宽的量程范围具有很高的线性度,这比几乎所有其他的流量计技术都要优秀。因此www.cechina.cn,科里奥利计被用于贸易交接、校准和很多其他对质量流量测量精度要求较高的应用场合。
        不仅仅是质量流量
        科里奥利计工作于自身的共鸣频率,共鸣频率与管道和媒质总质量有关。这样一来,从所测得的频率就可以推算出媒质的密度。现代科里奥利计也可以带有温度传感器,可以确定管道的实测温度,用于补偿和温度有关的机械效用,例如管道扩张,它能够提高在变化过程条件下流量计的稳定性。
        使用单管科里奥利传感器可以得到粘度测量结果,因为内部变送器可以监视和控制用于维持测量管扭转偏移的功率。测量管的扭转振动造成了流体媒质的剪切速率,并且与流体粘度相关。因为剪切速率与系统驱动电流有关,所以可以计算出相应的粘度值。
        对比于使用独立的粘度计,使用科里奥利技术进行一体式粘度测量有几个好处,包括测量设备数量的减少、无阻流动通路以及减少了与旋转插入管或者振动探针类似的运动部件。科里奥利计也可以一并精确测量与时间或者剪切速率相关的粘度值(图2)。

图2:Endress+Hauser公司的一体式科里奥利计可以测量硅橡胶制造工艺中的粘度值和其他参数。

        因为科里奥利计可以提供多变量测量,其他过程变量就可以从中推算出来,这样做的原理源自被测媒质的各种特性。例如www.cechina.cn,一旦密度知道了,就可以使用媒质对照表来计算浓度(图3)。其他可以推导出来的变量包括如下示例,但是并不仅仅局限于下述示例:
        •  标准密度测量可以得到温度系数;
        •  在轻或者重的测量范围内的比重测量;
        •  固体物质百分比或者体积百分比和质量百分比;
        •   蔗糖溶液的每ICUMSA糖度;
        •  啤酒或者酿酒工业的PLATO糖度;
        •   葡萄酒加工中的成球尺寸;
        •  蒸馏酒酒精测量的TTB剂量手册;
        •   纸浆&造纸工业的黑液百分比;
        •  石油工业中除水以外的液体API重力;
        •  乙醇、甲醇和石油和水纵剖分析。
        相关过程变量的多变量测量和校准通常可以减少额外专用设备、采样点、采样条件、实验室分析和过程建模的必要。所有这些组件和程序都可以由一台科里奥利计取代。

从科里奥利传感器外形可以看出在外壳内部有一个U形管传感器。在安装时需时刻注意安装朝向,以达到最优工作性能。

        测量气体流量
        科里奥利计可以测量气体质量流量,并将其换算成体积流量,例如标准立方英尺每分钟(SCFM)。从质量流量换算成体积流量必须知道相应气体的密度,这些数据可以在数据对照表中找到,这些数据都被写入科里奥利计并作为固定值使用。由于无需使用额外的传感器来测量压力或者温度,所以科里奥利计总体来说更容易使用,而且比其他类型的气体流量计的成本更低。
        一旦气体的组份发生变化,有可能会产生问题,因为换算值也改变了。对于关键项目可以使用一台气象色谱仪来实时计算气体组份,并使用流量计算机根据气体组份的密度来矫正科里奥利计的测量值。
        天然气工业时常会发生气体组份变化,而一些用户通常会忽略这个问题。他们假设不断改变的组份最终会达到一个稳定值,并基于这种组份的密度来进行换算。另外一种解决方案就是使用质量流量代替SCFM,例如磅每分钟。
        万能计
        对于很多应用,科里奥利计可以说是现有的最精确的流量测量设备,并且理所当然的是最精确的质量流量测量设备。由于科里奥利计直接完成质量流量测量,所以无需对其他过程变量进行补偿,例如温度、压力、密度、粘度和流量剖面。其他任何一种流量计都无法集质量流量、体积流量、总流量、密度、粘度和温度测量于一身。
        对于很多应用来说,体积流量计比科里奥利计便宜一些,但是却只能测量体积流量而不能测量质量流量。所以为了测量媒质的重量,体积流量计必须使用由用户提供的密度,用此方法计算出来的质量流量比质量流量计的测量精度要差不少。
        科里奥利计的性能有时也会受到挑战。例如www.cechina.cn,在两相流体测量中,它的测量结果就不是很理想,通常两相流体由气体和液体共同组成。流体中的气泡会带来问题,所以在那些流体有可能干涸或者引入气泡的场合——例如卸载槽车——老式的科里奥利计时常宕机。大多数的现代科里奥利计都具有内嵌的智能功能,可以应对这些气泡的问题。
        批处理作业的流量测量一度是科里奥利计的软肋。在批处理过程中,开始阶段管道是空置的,然后流经被测媒质,在每一批次结束时,管道又会残留媒质或者气泡。对于工作循环来说,科里奥利计要求管道中时刻充满被测媒质。现代科里奥利计可以对付这种应用场合,可以得到可复现的测量结果。
        科里奥利计具有最大的尺寸限制,很少使用在管道直径大于12英寸的场合,而且大多数要更小CONTROL ENGINEERING China版权所有,在管道的尺寸范围的另一极限,科里奥利计可以测量1/24英寸的管道尺寸,对于特别低的流量,例如0.1磅每分钟或者0.01加仑每分钟的水流量,管道尺寸还可以更小。
        其他可能会影响科里奥利计使用的问题包括:
        •  难以接受的高压力损失,对于很多流量计类型来说这是个普遍问题;
        •  传感器设计或者材料无法承受的高压力、高温度、磨损和/或腐蚀媒质;
        •  在液体蒸发压力下产生的气穴现象;
        •  高输入功率与安全场所使用的安全要求相悖;
        •  过高的流速可能导致传感器的疲劳损坏。
        取代其他测量设备
        即使在考虑了上述问题之后,在很多过程测量应用中,科里奥利计也是最好的选择。科里奥利计可以测量多种媒质的流量,包括清洗剂、溶剂、燃料、菜油、动物脂肪、橡胶、硅油、酒精、果汁、牙膏、醋、调味番茄酱、蛋黄酱、煤气、液化气、天然气和蒸汽,而且不限于此。
        直到最近的经济下滑,科里奥利计的销售一直保持每年12%的增长势头。这归功于广泛的适应性,越来越多地被用户接受,以及可以工作于其他类型流量计无法胜任的领域。
        例如www.cechina.cn,科里奥利计可以越来越多地被用于石油的贸易交接,代替了容积式流量计。美国天然气协会接纳了科里奥利计,并将其推广至其他关键应用领域。科里奥利计现在经常被用来代替比重计和粘度计,因为它不但可以提供这些参数的测量,还同时具备质量流量测量和温度测量功能。使用一台设备测量多种参数可以节省安装时间,可以降低初装成本和生命周期成本。质量流量通常使用多种称重仪表来完成测量,但是这种方法可能产生问题,特别是对于连续过程。虽然也有方法可以连续测量流经的媒质重量,但是与科里奥利计比起来,这些方法还是较为繁琐和昂贵。
        测试设备和控制系统之间的集成数据通讯,可以确保科里奥利计多变量测量结果和诊断信息的存取。例如EtherNet/IP之类的数据协议允许用户直接跨过控制系统直接获取现场设备信息。使用基于标准工业以太网的协议可以提高设备透明度,进而减少整合作业、培训和硬件成本。
        现代科里奥利计确实是一种智能技术,由于可以实时监视测试现场的诊断数据,所以可以保证提前维护。这种做法好处颇多,例如后期清洗或者可以确定涂层和堆积对传感器的影响。提前维护可以增加开机时间,带来实打实的成本节省。
        过去的几十年间,科里奥利计获得了长足的发展——降低了成本、提高了可靠性和精度。这些改进使科里奥利计的应用领域更加广泛,不仅仅可以取代其他类型流量计,还可以代替其他设备。

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