摘 要： 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是一種振動管式流量計(jì)，可直接測量流體的質(zhì)量流量，這就克服了差壓式流量計(jì)在裂解爐進(jìn)料控制中的不足，本文通過對科里奧力質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)和原理及典型故障的分析和處理的介紹，闡述了該種類型流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)，其在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也將更為廣泛。

關(guān)鍵詞： 科里奧利；APC；質(zhì)量流量

 引言

質(zhì)量流量計(jì)可直接測量流體的質(zhì)量流量，測量結(jié)果受介質(zhì)密度、溫度、壓力、流速分布等特性的影響較小，具有測量精度高、穩(wěn)定性好、使用方便、維護(hù)量小、通訊功能強(qiáng)、可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測量等特點(diǎn)，目前已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程控

制等領(lǐng)域中。本公司對裂解爐進(jìn)行*過程控制（APC）的技術(shù)改造時，將裂解爐進(jìn)料控制系統(tǒng)中的差壓變送器全部更換為高準(zhǔn)（Micro Motion）的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)。

1  質(zhì)量流量計(jì)的原理及構(gòu)成

1.1 質(zhì)量流量計(jì)的原理

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)質(zhì)量測量的原理是牛頓第二定律F=Ma。當(dāng)流體在振動管中流動時，將產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力 [1]。當(dāng)沒有流體流過時，振動管不產(chǎn)生扭曲，振動管兩側(cè)電磁信號檢測器檢測到的信號是同相位的；當(dāng)有流體經(jīng)過時，振動管在力矩作用下產(chǎn)生扭曲，兩檢測器間將存在相位差。變送器測量左右檢測信號之間的滯后時間，這個時間差乘上流量標(biāo)定系數(shù)就可確定質(zhì)量流量?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)的密度測量原理是振動頻率與流體密度的平方根成反比，通過測量振動頻率確定流體密度。所以質(zhì)量流量計(jì)即可實(shí)現(xiàn)對流體質(zhì)量流量的測量，又可實(shí)現(xiàn)對流體密度的測量。

1.2 質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)成

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和變送器組成，變送器用于信號處理，兩者之間通過的 9 芯電纜連接。如圖1 所示。

                                       
傳感器的結(jié)構(gòu)有直管、U 形管、Ω 型等多種形式 [2]。裂解爐進(jìn)料控制選用的是 U 形管式傳感器。U 形管的兩個開口端與管道連接，流體由一個端口流入，另一端口流出。在 U 形管頂部裝有用于激發(fā) U 形管振動的電磁裝置，激發(fā)U 形管以中心為軸按固有的自振頻率振動，自振方向垂直于 U 形管所在平面；流體流入 U 形管后，在沿管道流動時又隨管道作垂直運(yùn)動。此外，流體在流經(jīng) U 形管時，將產(chǎn)生一個科里奧利加速度，并以科里奧利力的形式反作用于U 形管。流體在 U 形管入口、出口兩側(cè)的流動方向相反，形成一個作用力矩，致使 U 形管發(fā)生扭曲，該扭角的大小與通過 U 形管的流體質(zhì)量流量相關(guān)，通過電磁檢測器將測量管的扭曲變成電信號，送入變送器作進(jìn)一步處理。U 形管的振動如圖 2 所示。

變送器是一種帶微處理器的智能流量儀表，它把傳感器送來的低電平信號轉(zhuǎn)換處理后，輸出兩路與流量和密度成正比例的 4 ～ 20mA 標(biāo)準(zhǔn)信號。如圖 3 所示，17、18 端子接一級毫安輸出信號，19、20 端子接二級毫安輸出信號，可以分別表示質(zhì)量流量、體積流量、質(zhì)量累積量、體積累計(jì)量、介質(zhì)密度、介質(zhì)溫度等。

2    質(zhì)量流量計(jì)在原料控制中的應(yīng)用

2.1 質(zhì)量流量計(jì)的安裝

1) 質(zhì)量流量計(jì)是基于振動的原理工作的，而在其工作的過程中又運(yùn)用了電磁技術(shù)進(jìn)行振動的激勵、扭角的檢測以及檢測信號的處理，因此質(zhì)量流量計(jì)安裝的位置不能有大的振動源，也不能安裝在變壓器、電動機(jī)等產(chǎn)生強(qiáng)磁場的設(shè)備附近，以防止外界干擾影響其正常工作。

2) 質(zhì)量流量計(jì)的安裝無直管段要求，但傳感器和管道連接時應(yīng)避免應(yīng)力存在。如果質(zhì)量流量計(jì)安裝過程中，傳感器與管道中心線的同心度存在偏差，將導(dǎo)致振動管產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力會形成壓力、拉力、或剪切力影響管道的對準(zhǔn)，引起檢測探頭的不對稱性，導(dǎo)致零點(diǎn)變動，影響測量精度 [3,4]。若管道與傳感器同心度偏差過大，則有可能無法調(diào)整零點(diǎn)。因此應(yīng)采取加固措施穩(wěn)定儀表附近的管道。在流量傳感器安裝時應(yīng)盡量采取軟連接的方式，法蘭連接螺絲要均勻?qū)ΨQ緊固。為減小殘存應(yīng)力的影響，流量傳感器在安裝好后還要進(jìn)行零點(diǎn)校準(zhǔn)。為方便質(zhì)量流量計(jì)的安裝及調(diào)零，質(zhì)量流量計(jì)的前端和后端還要安裝截止閥。
3) 傳感器和變送器的連接電纜應(yīng)使用廠家的電纜；變送器接收的是低電平信號，所以電纜不應(yīng)太長。變送器安裝時確保用于將本質(zhì)安全的傳感器電纜與電源和輸出電纜分開的隔板安裝到位；要確保傳感器接線盒和變送器外殼密封好，以免短路而導(dǎo)致測量誤差或者流量計(jì)故障。
4) 根據(jù)流體不同性質(zhì)選擇不同的傳感器安裝朝向，要始終保持傳感器流量管里流體處于充滿狀態(tài)。氣體進(jìn)料測量的質(zhì)量流量計(jì) U 形管朝上，以免測量管內(nèi)積聚冷凝液；液體進(jìn)料測量質(zhì)量流量計(jì) U 形管朝下，以免測量管內(nèi)積聚
氣體，如圖 4 所示。

2.2 質(zhì)量流量計(jì)與差壓變送器的比較

2.2.1 質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)

1) 質(zhì)量流量計(jì)直接測得流體的質(zhì)量流量，其變送器轉(zhuǎn)換的電流信號無需開方。
2) 使用壽命長，維護(hù)率低。質(zhì)量流量計(jì)的測量主體為一根 U 形管，U 形管兩開口端固定，流體由此流入流出，管道內(nèi)無障礙物，無可動部件，故障因素少，安裝維護(hù)方便。
3) 多功能。質(zhì)量流量計(jì)可同時測得流量、密度、溫度等多個現(xiàn)場變量 , 變送器有兩路可以單獨(dú)組態(tài)的輸出信號，可用于顯示流量、密度、溫度等測量值，一臺質(zhì)量流量計(jì)可替代多臺測量儀表。
4) 精度高。對于液體大都能夠達(dá)到 ±0.1±( 零點(diǎn)的穩(wěn)定性 / 實(shí)際流量 )×100%，氣體能達(dá)到 ±0.5±( 零點(diǎn)的穩(wěn)定性 / 實(shí)際流量 )×100%。裂解爐進(jìn)料控制中使用的質(zhì)量流量計(jì)的零點(diǎn)穩(wěn)定性分別是 CMF200M418NU 型為 2.18KG/H，CMF200M419NU 型 為 2.18KG/H 和 CMF300M426NU 型 為6.80KG/H。
5) 質(zhì)量流量計(jì)的阻尼時間可調(diào)。

6) 質(zhì)量流量計(jì)具有很強(qiáng)的回路自診斷功能，方便故障查找。
2.2.2 使用差壓變送器存在的不足
裂解爐進(jìn)料控制原來使用的差壓變送器雖然也較為*，精度較高，但仍存在的下以問題：
1) 由于裂解原料黏度大、雜質(zhì)多，容易造成導(dǎo)壓管堵塞，致使測量值不準(zhǔn)，需要經(jīng)常排放，增加了維護(hù)的工作量，而且在儀表排放時短時間內(nèi)沒有測量數(shù)據(jù)，不能滿足*控制的要求。
2) 裂解爐設(shè)有單組進(jìn)料流量低聯(lián)鎖，每組進(jìn)料有兩臺差壓變送器 A 和 B，A 表信號進(jìn) DCS 進(jìn)行控制，B 表信號進(jìn) ESD 參與聯(lián)鎖，無法保證兩表信號一致，如果聯(lián)鎖儀表測量值有誤且未被及時發(fā)現(xiàn)，將會造成聯(lián)鎖停車。
3) 差壓變送器隨壓力、溫度、密度等參數(shù)的變化而變化，當(dāng)實(shí)際工況與設(shè)計(jì)工況不同時，儀表就要產(chǎn)生附加誤差。在測量液體進(jìn)料時，測量值在經(jīng)過密度補(bǔ)償后才能得到流量值；測量氣體進(jìn)料時，測量值在經(jīng)過溫度和壓力補(bǔ)償后才能得到流量值。因此可能造成計(jì)算出來的流量值與實(shí)際的流量值有較大的偏差，原料總管的流量與單組進(jìn)料流量之和也有較大的偏差。從表 1 數(shù)據(jù)對比可以看出 , 質(zhì)量流量計(jì)克服了差壓變送器在裂解爐進(jìn)料控制中的不足，控制質(zhì)量更加，測量、控制的連續(xù)性也滿足了*控制的需求。

3  故障分析及處理

質(zhì)量流量計(jì)本身有很強(qiáng)的故障自診斷功能，用 HART手操器進(jìn)行故障自診斷，再結(jié)合萬用表測量電阻或電壓查找故障原因，是快速處理故障的有效方法。由于 HART 設(shè)備連接到回路中會造成變送器 4 ～ 20mA 輸出的改變，因而在將HART 接入控制回路之前，應(yīng)先將回路打到手動模式。值得注意的是接線問題在自檢時會被診斷為傳感器故障，所以在進(jìn)行故障處理時首先應(yīng)排除接線問題 , 包括端子虛接和端子氧化等現(xiàn)象。

3.1 零點(diǎn)漂移

零點(diǎn)漂移是質(zhì)量流量計(jì)使用過程中經(jīng)常遇到的問題。零點(diǎn)漂移對流量測量結(jié)果影響也很大，尤其是在測量較小流量時零點(diǎn)漂移對測量結(jié)果準(zhǔn)確度的影響更嚴(yán)重。造成零點(diǎn)漂移的因素很多，比如傳感器選型不合適、安裝時存在應(yīng)力、被測流體的物理特性參數(shù)變化等。在實(shí)際應(yīng)用中通過在操作溫度下對質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)零，使工藝溫度對測量結(jié)果的影響降到zui低。調(diào)零使流量計(jì)能夠響應(yīng)零流量，并且為流量測量設(shè)置了一個基線。零點(diǎn)調(diào)整的方法有兩種，現(xiàn)場調(diào)零和使用手操器進(jìn)行調(diào)零。通常使用手操器進(jìn)行調(diào)零，方便快捷。調(diào)零之前應(yīng)保證傳感器滿管，且流過傳感器的流體在流量計(jì)調(diào)零過程中*不流動，否則會導(dǎo)致零點(diǎn)設(shè)置不正確，影響測量的準(zhǔn)確性。調(diào)零過程中變送器診斷 LED 保持點(diǎn)亮狀態(tài)，流量計(jì)不斷對密度進(jìn)行檢測，調(diào)零時間大約為 20s ～ 90s。調(diào)零結(jié)束后，LED 1s 閃亮一次，指示正常運(yùn)行狀態(tài)。若在變送器調(diào)零過程中流體流動，或傳感器不滿管，或傳感器安裝不當(dāng)?shù)仍蚨紩?dǎo)致調(diào)零失敗，如果調(diào)零失敗，LED 會 1s 閃爍4 次，此時需要重新調(diào)零。

3.2 檢測線圈故障

裂解爐第三組進(jìn)料質(zhì)量流量計(jì)曾因左側(cè)檢測線圈故障造成裂解爐進(jìn)料流量低聯(lián)鎖停車。進(jìn)料介質(zhì)為液態(tài)的加氫尾油。從 DCS 趨勢上看，第三組進(jìn)料流量測量值從正常值6900KG/H 左右突然降為 0。用 HART 手操器與現(xiàn)場表進(jìn)行通訊，有“Sensor Error”的故障提示。斷開變送器電源后，在現(xiàn)場從變送器電子模塊上拔下接線盒，用萬用表測量變送器接線端處導(dǎo)線對之間的電阻，若阻值超出表2 列出的范圍，則相應(yīng)電路故障。

通過現(xiàn)場對質(zhì)量流量計(jì)變送器各對導(dǎo)線阻值測量后，發(fā)現(xiàn)綠色到白色之間的阻值無窮大，重新對傳感器的各對導(dǎo)線阻值測量后，結(jié)果與對變送器的測量結(jié)果相同，斷定為質(zhì)量流量計(jì)左檢測線圈故障，造成指示回零，zui終導(dǎo)致聯(lián)鎖停車。

3.3 RTD 電阻故障

由于溫度影響了流量管的剛性，科里奧利力所產(chǎn)生的扭曲總量也將受到溫度的影響，為此變送器檢測安裝在傳感器內(nèi)的熱電阻（RTD）的輸出，不斷地調(diào)節(jié)所測到的流量。裂解爐每次停車需用稀釋蒸汽對爐管進(jìn)行吹掃時，由于蒸

汽溫度和壓力較高，時間一長就會使 RTD 電阻損壞。

從 DCS 中看故障現(xiàn)象為儀表指示開路。用 HART 檢測，有 Temperature overrange 故障提示，查看溫度實(shí)時值，通常為 -400℃左右。現(xiàn)場檢查時首先斷開變送器電源，從變送器電子模塊上拔下接線盒，用萬用表測量變送器接線端處3、7（橙色到紫色）和 4、7（黃色到紫色）導(dǎo)線對的電阻，正常時電阻范圍為 100Ω（0℃時）+0.38675Ω（每℃），RTD 故障時電阻值將超出此范圍。對于這一故障；若質(zhì)量流量計(jì)來不及下線處理，則可通過在線設(shè)置溫度校正系數(shù)來快速解決。

4  結(jié)束語

質(zhì)量流量計(jì)技術(shù)*，性能穩(wěn)定，安裝維護(hù)方便，雖然價格相對較高，但后續(xù)幾乎無需維修費(fèi)用、準(zhǔn)確度高、長周期穩(wěn)定可靠運(yùn)行的特點(diǎn)將給企業(yè)帶來長遠(yuǎn)的利益，在各個領(lǐng)域的應(yīng)用也將更為廣泛。

作者簡介

齊曉霞（1979- ），女，北京人，本科，工程師，中國石化北京燕山分公司儀表檢維修主管，從事儀器儀表及工業(yè)自動化研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 許秀.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理及其應(yīng)用[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2005(1).

[2] 胡建男.質(zhì)量流量計(jì)在潤滑油自動調(diào)和系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].石油商技,2008(8).

[3] 李彥林,梁新連.影響質(zhì)量流量計(jì)準(zhǔn)確度的因素及解決辦法[J].計(jì)量技術(shù),2004(8).

[4] 梁寶國.科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)在石化企業(yè)的應(yīng)用[J].中國科技信息,2011(20).