質(zhì)量流量計可以直接測量流體的質(zhì)量流量，測量結(jié)果受介質(zhì)密度、溫度、壓力和速度分布特性的影響較小。它具有測量精度高、穩(wěn)定性好、使用方便、維護(hù)量少、通信功能強(qiáng)、多參數(shù)測量等特點，已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)過程控制等領(lǐng)域。我公司在對裂解爐先進(jìn)過程控制(APC)技術(shù)進(jìn)行改造時，裂解爐進(jìn)料控制系統(tǒng)中的所有差壓變送器都換成了微動科里奧利質(zhì)量流量計。

1質(zhì)量流量計的原理和組成

1.1質(zhì)量流量計的原理

科里奧利質(zhì)量流量計的質(zhì)量測量原理是牛頓第二定律F=Ma。當(dāng)流體在振動管中流動時，會產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力。當(dāng)沒有流體流過時，振動管不失真，振動管兩側(cè)的電磁信號檢測器檢測到的信號同相。當(dāng)有流體經(jīng)過時，振動管在扭矩的作用下會發(fā)生扭曲，兩個探測器之間會產(chǎn)生相位差。變送器測量左右檢測信號之間的滯后時間，質(zhì)量流量可以通過將該時間差乘以流量校準(zhǔn)系數(shù)來確定。

科里奧利質(zhì)量流量計的密度測量原理是振動頻率與流體密度的平方根成反比，通過測量振動頻率來確定流體密度。因此，質(zhì)量流量計可以測量流體的質(zhì)量流量和流體的密度。

1.2質(zhì)量流量計的組成

科里奧利質(zhì)量流量計由傳感器和變送器組成，用于信號處理，由專用9芯電纜連接。如圖1所示。

圖1質(zhì)量流量計的組成

圖1質(zhì)量流量計的組成

傳感器的結(jié)構(gòu)有多種形式，如直管、U型管、ω型等。

裂解爐進(jìn)料控制選用u型管式傳感器。U形管的兩個開口端與管道相連，流體從一個端口流入，從另一個端口流出。在U形管的頂部安裝有激勵U形管振動的電磁裝置，根據(jù)固有固有頻率激勵U形管以中心為軸振動，固有振動方向垂直于U形管所在平面；流體流入U型管后，沿管道流動的同時，隨管道垂直運動。另外，當(dāng)流體流經(jīng)U型管時，會產(chǎn)生一個科里奧利加速度，該加速度會以科里奧利力的形式反作用在U型管上。流體在U形管的入口和出口處反向流動，形成一個作用力矩，使U形管扭曲。扭轉(zhuǎn)角與流體通過U形管的質(zhì)量流量有關(guān)。測量管的扭曲被電磁檢測器轉(zhuǎn)換成電信號，然后發(fā)送到變送器進(jìn)行進(jìn)一步處理。u形管的振動如圖2所示。

圖2扭矩作用下扭曲的振動管

圖2振動管扭矩下的變形

變送器為帶微處理器的智能流量計，將傳感器發(fā)出的低電平信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸出兩個與流量和密度成正比的4 ~ 20mA標(biāo)準(zhǔn)信號。如圖3所示，端子17和18與初級毫安輸出信號連接，端子19和20與次級毫安輸出信號連接，次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、體積累積、介質(zhì)密度和介質(zhì)溫度。

圖3一次和二次毫安輸出接線

圖3一次、二次毫安輸出接線

質(zhì)量流量計在原料控制中的應(yīng)用

2.1質(zhì)量流量計的安裝

1)質(zhì)量流量計基于振動原理工作，在其工作過程中，利用電磁技術(shù)激發(fā)振動，檢測扭轉(zhuǎn)角，處理檢測信號。因此，質(zhì)量流量計不能安裝在較大的振動源處，也不能安裝在變壓器、電機(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)量流量計的安裝不需要直管段，但傳感器與管道連接時應(yīng)避免應(yīng)力。在質(zhì)量流量計的安裝過程中，如果傳感器與管道中心線的同心度發(fā)生偏差，會在振動管中產(chǎn)生應(yīng)力，從而形成壓力、張力或剪切力，影響管道的對準(zhǔn)，造成檢測探頭的不對稱，導(dǎo)致零點變化，影響測量精度[3，4]。

如果管道和傳感器的同心度偏差過大，零點可能無法調(diào)整。因此，應(yīng)采取加固措施來穩(wěn)定儀器附近的管道。安裝流量傳感器時，盡量采用軟連接，法蘭連接螺釘應(yīng)均勻?qū)ΨQ緊固。為了減少殘余應(yīng)力的影響，流量傳感器安裝后應(yīng)在零點校準(zhǔn)。為了便于質(zhì)量流量計的安裝和調(diào)零，應(yīng)在質(zhì)量流量計的前端和后端安裝截止閥。

3)傳感器和變送器之間的連接電纜應(yīng)為制造商的專用電纜；發(fā)射器接收到低電平信號，因此電纜不應(yīng)過長。安裝變送器時，確保用于將本質(zhì)安全型傳感器電纜與電源和輸出電纜分開的隔板安裝到位；確保傳感器接線盒和變送器外殼密封，以避免可能導(dǎo)致測量誤差或流量計故障的短路。

4)根據(jù)流體的不同性質(zhì)選擇不同的傳感器安裝方位，始終保持傳感器流管中的流體處于充滿狀態(tài)。用于氣體進(jìn)料測量的質(zhì)量流量計的U形管朝上，以避免測量管內(nèi)冷凝物積聚；液體進(jìn)料測量質(zhì)量流量計的U形管朝下，以避免氣體在測量管中積聚，如圖4所示。

圖4質(zhì)量流量計傳感器的安裝方式

圖4質(zhì)量流量傳感器安裝

2.2質(zhì)量流量計和差壓變送器的比較

2.2.1質(zhì)量流量計的優(yōu)點

1)質(zhì)量流量計直接測量流體的質(zhì)量流量，其變送器轉(zhuǎn)換的電流信號不需要規(guī)定。

2)使用壽命長，維護(hù)率低。質(zhì)量流量計的測量體是一個U型管，U型管的兩個開口端是固定的，使流體從其中進(jìn)出。管道內(nèi)無障礙物或運動部件，故障因素少，安裝維護(hù)方便。

3)多功能。質(zhì)量流量計可以同時測量許多現(xiàn)場變量，如流量、密度和溫度。變送器有兩個可獨立配置的輸出信號，可用于顯示流速、密度和溫度的測量值。一個質(zhì)量流量計可以代替多個測量儀器。

4)精度高。液體可達(dá)0.1(零點穩(wěn)定性/實際流量)×100%，氣體可達(dá)0.5(零點穩(wěn)定性/實際流量)×100%。裂解爐進(jìn)料控制用質(zhì)量流量計的零點穩(wěn)定性，CMF200M418NU為2.18KG/H，CMF200M419NU為2.18KG/H，CMF300M426NU為6.80KG/H。

5)質(zhì)量流量計的阻尼時間可以調(diào)節(jié)。

6)質(zhì)量流量計具有很強(qiáng)的回路自診斷功能，便于故障查找。

2.2.2使用差壓變送器的缺點

裂解爐進(jìn)料控制中使用的差壓變送器雖然先進(jìn)、精度高，但仍存在一些問題:

1)由于裂解原料粘度高，雜質(zhì)多，容易造成壓力管道堵塞，導(dǎo)致測量值不準(zhǔn)確，需要頻繁排放，增加了維護(hù)工作量，儀器排放時短時間內(nèi)沒有測量數(shù)據(jù)，不能滿足先進(jìn)控制的要求。

2)裂解爐設(shè)有單套低進(jìn)料流量聯(lián)鎖，每套進(jìn)料有兩臺差壓變送器A和B，A表信號進(jìn)入DCS控制，B表信號進(jìn)入ESD參與聯(lián)鎖，無法保證兩表信號的一致性。如果聯(lián)鎖儀表的測量值有誤，沒有及時發(fā)現(xiàn)，會造成聯(lián)鎖停機(jī)。

3)差壓變送器隨著壓力、溫度、密度等參數(shù)的變化而變化。當(dāng)實際工況與設(shè)計工況不同時，儀器會產(chǎn)生附加誤差。測量液體進(jìn)料時，只有經(jīng)過密度補(bǔ)償后才能得到測量值；測量氣體進(jìn)料時，只有經(jīng)過溫度和壓力補(bǔ)償后才能獲得流量值。因此，計算流量值與實際流量值可能有較大偏差，原料主管流量與單次進(jìn)料流量之和也有較大偏差。

表1質(zhì)量流量計和差壓變送器測量值的比較

表1質(zhì)量流量計、差壓變送器測量值對比

從表1的數(shù)據(jù)對比可以看出，質(zhì)量流量計克服了差壓變送器在裂解爐進(jìn)料控制方面的不足，控制質(zhì)量更加準(zhǔn)確，測控的連續(xù)性也滿足先進(jìn)控制的要求。

3故障分析和處理

質(zhì)量流量計本身具有很強(qiáng)的故障自診斷功能，利用HART手動裝置進(jìn)行故障自診斷，然后結(jié)合萬用表測量電阻或電壓來查找故障原因，是快速處理故障的有效途徑。由于HART設(shè)備接入回路會引起變送器4 ~ 20mA輸出的變化，所以在將HART接入控制回路之前，應(yīng)先將回路置于手動模式。值得注意的是，接線問題在自檢時會被診斷為傳感器故障，因此在排除故障時，應(yīng)首先排除接線問題，包括端子虛接和端子氧化。

3.1零漂移

零點漂移是質(zhì)量流量計使用中常見的問題。

零點漂移對流量測量結(jié)果有很大影響，尤其是在測量小流量時。導(dǎo)致零點漂移的因素很多，如傳感器選擇不當(dāng)、安裝過程中的應(yīng)力以及被測流體物理特性參數(shù)的變化。在實際應(yīng)用中，過程溫度對測量結(jié)果的影響通過在工作溫度下將質(zhì)量流量計歸零來最小化。

歸零使流量計能夠響應(yīng)零流量，并為流量測量設(shè)置基線。調(diào)零有兩種方法，即現(xiàn)場調(diào)零和人工調(diào)零。通常使用手動操作器調(diào)零方便快捷。歸零前，確保傳感器充滿管子，流量計歸零過程中流經(jīng)傳感器的流體完全不流動，否則零點設(shè)置不正確，影響測量精度。

調(diào)零過程中，變送器的診斷LED一直亮著，流量計持續(xù)檢測密度。歸零時間在20s~90s左右。調(diào)零后，LED 1s閃爍一次，表示正常運行狀態(tài)。如果在變送器歸零期間流體流動，或者傳感器沒有充滿管子，或者傳感器安裝不正確，等等。，歸零將失敗。如果調(diào)零失敗，LED會在一秒內(nèi)閃爍四次，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)量流量計因左檢測線圈故障聯(lián)鎖停機(jī)。進(jìn)料介質(zhì)為液態(tài)氫化尾油。

根據(jù)集散控制系統(tǒng)趨勢，第三組進(jìn)料流量的測量值從正常值約6900公斤/小時突然降至0..使用HART通訊器與現(xiàn)場儀表通訊，出現(xiàn)“傳感器錯誤”的故障提示。斷開變送器電源后，從現(xiàn)場的變送器電子模塊上拔下接線盒，并用萬用表測量變送器端子處導(dǎo)線對之間的電阻。如果電阻值超過表2中列出的范圍，相應(yīng)的電路就會失效。

表2變送器端子處線對之間的電阻范圍

表2導(dǎo)線末端和電阻范圍之間的變送器接線

現(xiàn)場測量質(zhì)量流量計變送器每對導(dǎo)線的電阻后，發(fā)現(xiàn)綠色和白色之間的電阻為無窮大。再次測量傳感器每對導(dǎo)線的電阻后，結(jié)果與變送器相同。得出質(zhì)量流量計左檢測線圈故障，導(dǎo)致指示歸零，最終導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)的結(jié)論。

3.3 RTD電阻故障

因為溫度影響流量管的剛度，科里奧利力引起的畸變總量也會受到溫度的影響。因此，變送器檢測安裝在傳感器中的RTD輸出，并不斷調(diào)整測量流量。當(dāng)裂解爐每次停車都需要用稀釋蒸汽吹掃時，由于蒸汽溫度和壓力高，RTD電阻會長期損壞。

從集散控制系統(tǒng)看到的故障現(xiàn)象表明儀器是打開的。通過HART檢測，有溫度超量程故障提示，檢查實時溫度值，一般在-400℃左右?，F(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端子處3、7(橙紫色)和4、7(黃紫色)線對的電阻。正常電阻范圍為100ω(0℃時+0.38675ω(每℃)),當(dāng)RTD失效時，電阻值將超過該范圍。對于這個斷層；如果質(zhì)量流量計來不及離線，可以通過在線設(shè)置溫度修正系數(shù)快速解決。

4結(jié)束語

質(zhì)量流量計技術(shù)先進(jìn)，性能穩(wěn)定，安裝維護(hù)方便。雖然價格相對較高，但幾乎沒有維護(hù)成本、精度高、長期穩(wěn)定可靠運行的特點將為企業(yè)帶來長期效益，并將在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。