科里奧利質(zhì)量流量計是利用流體在直線運動的同時處于一旋轉(zhuǎn)系中, 產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量儀表。

  我國CMF的應用起步較晚, 從20世紀80年代中期引進成套裝置附帶進口少量儀表開始, 到技術(shù)改造所需單臺進口一定數(shù)量, 科里奧利質(zhì)量流量計廣泛應用于石化、糧食、冶金等領(lǐng)域, 是當今世界上***先進流量測量儀表之一。我公司炭素陽極生產(chǎn)高溫瀝青配料系統(tǒng)計量中, 使用美國高準 (ELITE) 公司的CMF200A型科里奧利質(zhì)量流量, 精度高達1.7‰, 為我廠陽極生產(chǎn)過程中物料配方測量提供了可靠的方法, 提高了以往使用失重式或計量泵式高溫計量瀝青的準確度, 提高了陽極碳塊的質(zhì)量和生陽極生產(chǎn)的連續(xù)性, 在炭素陽極生產(chǎn)中取得了可觀的經(jīng)濟效益。

  質(zhì)量流量計計量系統(tǒng)包括傳感器和用于信號處理的變送器?？评飱W利質(zhì)量流量計依據(jù)牛頓第二定律:力=質(zhì)量×加速度 (F=ma) 如圖1所示, 當質(zhì)量為m質(zhì)點以速度V對P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)管道內(nèi)移動時, 質(zhì)點受兩個分量加速度及其力。

1) 法向加速度, 即向心加速度ar, 其量值等于2ωr, 朝向P軸;

2) 切向角速度at, 即科里奧利加速度, 其值等于2ωV, 方向與ar垂直。復合運動, 質(zhì)點at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。

  當密度為ρ流體旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動時, 任何一段長度Δx管道將受到一個切向科里奧利力ΔFc:

  式中A—管道流通截面積。

  存在關(guān)系式:mq=ρVA

  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。

  然而通過旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生科里奧利力是困難的, 目前產(chǎn)品均代之以管道振動產(chǎn)生的, 即由兩端固定的薄壁測量管, 在中點處以測量管諧振或接近諧振的頻率 (或其高次諧波頻率) 所激勵, 在管內(nèi)流動的流體產(chǎn)生科里奧利力, 使測量管中點前后兩半段產(chǎn)生方向相反的撓曲, 用光學或電磁學方法檢測撓曲量以求得質(zhì)量流量。

  又因流體密度會影響測量管的振動頻率, 而密度與頻率有固定的關(guān)系, 因此CMF也可測量流體密度。

  CMF由流量傳感器和轉(zhuǎn)換器 (或流量計算機) 兩部分組成。圖2為流量傳感器, 主要有由測量管及其支撐固定橋架、測量管振動激勵系統(tǒng)中的驅(qū)動線圈A、檢測測量管撓曲的光學檢測探頭或電磁檢測探頭B、修正測量管材料楊氏模量溫度影響的測溫組件等組成。轉(zhuǎn)換器主要由振動激勵系統(tǒng)的振動信號發(fā)生單元、信號檢測和信號處理單元等組成;流量計算機則還有組態(tài)設(shè)定、工程單位換算、信號顯示和與上位機通信等功能。

  在鋁電解陽極生產(chǎn)中, 是將不同粒度的煅后石油焦按配方的比例由不同的計量器下料, 經(jīng)混合螺旋混合后經(jīng)預熱進入混捏機, 融化后的液體瀝青作為陽極成型的混合料粘結(jié)劑在混捏機內(nèi)充分混合, 形成具有一定塑性的糊料。在陽極生產(chǎn)過程中, 對加入的瀝青含量的控制, 將直接影響到陽極產(chǎn)品的質(zhì)量, 陽極產(chǎn)品瀝青含量過高, 成型后的產(chǎn)品極易變形, 體積密度偏低, 電阻偏高;陽極產(chǎn)品瀝青含量過低, 產(chǎn)品容易出現(xiàn)裂紋, 產(chǎn)生斷裂。因此對加入的瀝青做到測量和控制是陽極生產(chǎn)的關(guān)鍵。

  我公司選用的美國高準 (ELITE) 公司的CMF200A型質(zhì)量流量計, 屬該公司高溫型產(chǎn)品, ***高可耐溫度343℃, ***大的液體流量87, 100kg/h, 高準流量計能為各種過程流體提供***的測量, 并且具有極低的壓力損失和極寬的流量范圍。

  陽極配料系統(tǒng)中瀝青的定量加入是通過質(zhì)量流量計測量實際流量, 反饋到配料系統(tǒng)上位機 (KSC) , 并和上位機計算出的生產(chǎn)配方的流量設(shè)定值進行比較, 產(chǎn)生的流量差值以調(diào)節(jié)瀝青泵的轉(zhuǎn)速的方式, 完成瀝青流量的閉環(huán)控制。在實際應用中是通過圖3的工藝布置完成瀝青流量的控制。整個系統(tǒng)閥門狀態(tài)檢測及閥門動作控制由一臺西門子公司LOGO!完成, 當LOGO!檢測到Y(jié)2/Y4兩個手動閥門中只有一個閥門在打開時, 整個系統(tǒng)才允許啟動, 當Y2打開時選擇WAY I生產(chǎn)回路, 當Y4打開時選擇WAY II生產(chǎn)回路, 相應的瀝青泵M1/M2才會被啟動, 同時打開氣動閥Y3/Y5, 瀝青通過質(zhì)量流量計測量后, 反饋至KSC, 通過接受來自KSC的信號, 自動打開氣動閥Y6或Y7, 其中Y6為啟動前熱循環(huán)用, Y7為正常生產(chǎn)回路。

  高準 (ELITE) 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。采用DSP數(shù)字信號處理器, 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”, 使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, 更快的響應時間提高短批量控制的效率和度。

  在不同溫度下的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。在日常生產(chǎn)中保持瀝青溫度的變化在工藝范圍內(nèi), 只要在實際使用的瀝青溫度條件下調(diào)零, 使用過程中的密度變化不大, 一般不存在問題。

  高準 (ELITE) 的科里奧利質(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。但在實際生產(chǎn)應用中采用啟動前熱循環(huán)2h以上, 且流量計流量和實際生產(chǎn)流量相當, 實現(xiàn)了流量計生產(chǎn)和循環(huán) (Y6閥和Y7閥) 的無擾動切換。

  CMF200可以在振動環(huán)境下工作, 但必須與振動隔離, 由于流量計內(nèi)部振動管間用柔性管連接和采用隔離振動的支撐架, 并在實際生產(chǎn)中, 采用流量計和附近大型設(shè)備不在同一個安裝平面、部分管道間連接采用柔性連接、測量段部分管路U型布置等措施, 消除了現(xiàn)場振動對計量精度的影響。

  質(zhì)量流量計在實際生產(chǎn)中應注意以下問題:CMF200A型質(zhì)量流量計, 為U型結(jié)構(gòu), 裝于自下而上流動的垂直管道較為理想, 并按旗形安裝, 以保證計量管道內(nèi)充滿液體瀝青, 增加計量的準確性;在使用前為保證質(zhì)量流量計內(nèi)部不發(fā)生瀝青掛壁的現(xiàn)象, 流量計外殼應纏繞伴熱管, 防止瀝青在計量時產(chǎn)生凝固現(xiàn)象, 在冬季生產(chǎn)時還要在流量計外部包覆保溫套;混捏機入口設(shè)單向閥, 在管路或是設(shè)備容器壓力不穩(wěn)的狀態(tài)下, 能保持管線所需壓力, 使瀝青泵能正常輸出流量。另外在泵的出端由于重力作用常會出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象, 此時單向閥能消減由于虹吸產(chǎn)生的流量及壓力的波動;調(diào)零必須在實際生產(chǎn)的溫度下進行, 流量計排盡氣體, 充滿液體瀝青后, 再手動關(guān)閉傳感器上下游閥門, 再進行調(diào)零。安裝方面變動或溫度大幅度變化時需要重新調(diào)整。

  科里奧利質(zhì)量流量計是一個較為準確、快速、可靠、高效、穩(wěn)定、靈活的流量測量儀表, 在石油加工、化工、冶金等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應用, 在推動流量測量上顯示出巨大的潛力, 也為鋁電解陽極生產(chǎn)中的瀝青計量提供了可靠的手段。