質(zhì)量流量計(jì)依據(jù)牛頓第二定律：力=質(zhì)量×加速度（F=ma）。當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)受兩個分量的加速度及其力：
1）法向加速度，即向心加速度αr，其量值等于ω2r，朝向P軸；
2）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(fù)合運(yùn)動，在質(zhì)點(diǎn)的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對質(zhì)點(diǎn)作用著一個反向力－Fc=－2ωVm。
當(dāng)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：qm=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。
數(shù)學(xué)模型
對（2）式進(jìn)一步推導(dǎo)（有關(guān)數(shù)學(xué)推導(dǎo)省略），得出如下數(shù)學(xué)模型：
（3）
式中：qm———質(zhì)量流量；
K———一個僅決定與測量管結(jié)構(gòu)尺寸的量，當(dāng)測量管結(jié)構(gòu)一定時，在一定溫度下，K是一定值；
G———測量管材料的剪切彈性模量；在一定溫度下，K是一定值；
ω———測量管主振動的固有頻率；
ωθ———測量管扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率；
Δt———測量管兩檢測信號的時間差。
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(biāo)定系數(shù)來表示質(zhì)量流量。
孔板流量計(jì)與氣體超聲流量計(jì)在天然氣中的應(yīng)用
1、范圍度
孔板流量計(jì)范圍度窄(約為3:1一4:1)，近年來雖從多方面采取措施拓寬其范圍度，如采用寬量程差壓變送器，多臺差壓變送器并聯(lián)使用，采用可換孔板節(jié)流裝置以及智能流量顯示儀等等，但與氣體超聲流量計(jì)相比未免遜色。氣體超聲流量計(jì)范圍度可達(dá)40:1(dn150)一160:l(dn75o)，在實(shí)際使用中流量計(jì)可測流量(流速)下限值是一個更重要的指標(biāo)，我國大口徑氣體管道系統(tǒng)普遍運(yùn)行低流速范圍(流速上限值僅5耐，或更低)，使得流量計(jì)選型困難。氣體超聲流量計(jì)下限流速偏差。
據(jù)資料介紹，在天然氣輸配氣計(jì)量站中，一座用孔板流量計(jì)做為計(jì)量儀表的計(jì)量站，為滿足范圍度的要求，需設(shè)置4條dn400mm管線，如采用氣體超聲流量計(jì)則只需設(shè)置2條dn600mm管線或一條dn700管線，這樣采用氣體超聲流量計(jì)可節(jié)省一次性投資10一40%，節(jié)省占地空間50一75%，并且精度更高，工作更穩(wěn)定，維護(hù)量更少。
2、壓力損失
孔板流量計(jì)以壓損大著稱，而氣體超聲流量計(jì)恰是無壓損(僅相當(dāng)于一段管道)儀表，對于大口徑，這個特點(diǎn)很重要，它可以節(jié)約能耗或適用于低靜壓氣體管道系統(tǒng)的測量。
3、儀表造價(jià)
對于孔板流量計(jì)隨著口徑增大，檢測件造價(jià)及安裝成本大幅度提高，而氣體超聲流量計(jì)的檢測件制造成本與口徑大小的關(guān)系僅相當(dāng)于管道價(jià)值的增加，因此它是一種特別適用于大口徑的儀表。
4、使用維護(hù)
孔板流量計(jì)由3部分組成:節(jié)流裝置、差壓變送器和流量顯示儀。在現(xiàn)場惡劣工作條件作用下節(jié)流裝置與差壓變送器及其連接部分引壓管線是使用維護(hù)的重點(diǎn)，天然氣輸配氣計(jì)量站為經(jīng)常檢查孔板的質(zhì)量，常增設(shè)旁路管或采用價(jià)格昂貴的可換孔板節(jié)流裝置，這些都使儀表及其輔助設(shè)備造價(jià)增加，也增加了維護(hù)工作量。氣體超聲流量計(jì)檢測件比較牢固，維護(hù)工作量少，甚至可做成插人式探頭，在不斷流情況下取出維修。
我們對氣體超聲流量計(jì)與孔板流量計(jì)在天然氣工業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行一些比較，由上述可見，在大口徑測量方面，氣體超聲流量計(jì)無疑更為優(yōu)越，尤其在原料氣測量方面有可能解決孔板流量計(jì)多年來未能解決的問題，目前這方面工作已有初步介紹我們亦應(yīng)看到孔板流量計(jì)畢竟已經(jīng)發(fā)展數(shù)十年至上百年歷史，全世界流量工作者都對它進(jìn)行過巨大的理論與實(shí)踐工作，取得極為豐富的經(jīng)驗(yàn)相比之下氣體超聲流量計(jì)僅剛嶄露頭角，尚需通過實(shí)踐走向成熟，至于中小口徑方面需作更多的工作。
在化工、石化鋼鐵、電力、供熱和水處理等行業(yè)各種流量計(jì)應(yīng)用十分普遍，用于測量各種液體和氣體的流量。隨著工業(yè)領(lǐng)域?qū)α髁繙y量的要求不斷提高，在市場上出現(xiàn)了各種新型的流量計(jì)，它們根據(jù)測量機(jī)理冠以不同的修飾術(shù)語，如科里奧利、超聲波、電磁、渦街流量計(jì)等，比起傳統(tǒng)的容積式、文丘里管、機(jī)械孔板式流量計(jì)來，新型電磁流量計(jì)有更新穎的特點(diǎn)，在精度、可靠性、重復(fù)性、可維護(hù)性方面和老式的流量計(jì)相比有顯著的差異，在這些設(shè)備里，易磨損的活動部件很少或根本沒有;流量計(jì)中大部分都是非侵入式元件，具有更小的壓降和更好的安全性;很多儀表西己備有微處理器，能執(zhí)行自診斷和其他功能，從而能為用戶提供實(shí)時的反饋和歷史數(shù)據(jù)采集。
相對其他行業(yè)，各種流量計(jì)在水泥工業(yè)應(yīng)用較少，這是由于生產(chǎn)工藝過程中主要介質(zhì)是物料流和氣流，在物料流中則以粉狀和顆粒為主，在主工藝流程中液體料流幾乎沒有，而氣流還帶有一定的粉塵，并且是在大管道內(nèi)通過，它給流量測量帶來很大的難度。雖然在某些工藝點(diǎn)，如冷卻機(jī)各室的風(fēng)量，由于測定的是高壓空氣流量，管道的口徑也不大，一般用傳統(tǒng)的文丘里管，通過差壓可以測量，但由于測量精度低，流量值僅能作為參考，而且用它來調(diào)節(jié)風(fēng)門的開度，恒定風(fēng)量也較困難，目前一些日產(chǎn)5000噸生產(chǎn)線已不測量高壓空氣的流量，而是通過測定高壓羅茨風(fēng)機(jī)輸出的電功率來估算流量。故流量測量過去在水泥行業(yè)幾乎是一個空白，自動化技術(shù)人員往往只知溫度、壓力、物位等計(jì)量傳感器。隨著水泥生產(chǎn)規(guī)模增大、工藝過程不斷更新，流量測量和新型電磁流量計(jì)也開始在水泥行業(yè)應(yīng)用。
1.大管道氣體流量的測量。
早期引進(jìn)的一些干法水泥生產(chǎn)線，國外公司提出在窯尾出口處和廢氣處理的大管道中檢測氣體流量并相應(yīng)調(diào)節(jié)有關(guān)閥門，曾選用過孔板式流量計(jì)、笛形均速管流量計(jì)等，但使用過程中難度太大，由于流量測量并不影響水泥的生產(chǎn)，后一直沒有使用。隨著水泥工藝和規(guī)模的不斷更新，大型立磨已得到普遍應(yīng)用，在立磨的工藝流程中，要求測定磨機(jī)進(jìn)出口風(fēng)量并保持循環(huán)風(fēng)量恒定，如我國出口阿曼的日產(chǎn)3300噸水泥生產(chǎn)線，采用了非凡公司的立磨，在測點(diǎn)一覽表中就有此要求，日產(chǎn)3000噸級水泥生產(chǎn)線生料磨的出口風(fēng)管口徑一般在800毫米左右。在流量測量規(guī)范中，管道口徑大于200毫米就屬于大口徑流量測量，如用傳統(tǒng)的孔板式流量計(jì)，在運(yùn)行中，由于孔板的節(jié)流孔銳邊磨損、板面沾污，管道積聚凝結(jié)灰，在磨損后需要進(jìn)行更換;孔板流量計(jì)還有量程比小、精度低、不可恢復(fù)壓損大等缺點(diǎn);對于大口徑的管道需要大的法蘭，其價(jià)格、安裝成本和維護(hù)也是一個值得關(guān)注的問題。另外氣體的流量測量受溫度、壓力的變化而變動，它對氣體的流量測量會造成嚴(yán)重的影響，主要表現(xiàn)在精確度和重復(fù)性方面;在水泥行業(yè)中被測過程氣體大多含有粉塵，測量傳感器中一般帶有小孔，粉塵會容易造成測量傳感器的堵塞，故在水泥行業(yè)大管道氣體流量測量難度大，有許多問題有待解決。
隨著新型差壓式均速管流量計(jì)在市場中出現(xiàn)，解決了大管道氣體流量的測量的難題，它有著量程比大、精度高、不可恢復(fù)壓損小的特點(diǎn)，也可通過各種措施以防氣體中的粉塵堵塞測量傳感器。本文將重點(diǎn)介紹新型差壓式均速管流量計(jì)的工作原理，基本結(jié)構(gòu)，性能特點(diǎn)和應(yīng)用等。
2.新型流量測量機(jī)理用于水泥工藝過程的物料測量。
水泥工藝過程中原料、中間成品和最終產(chǎn)品全是固體，而且以顆粒狀和粉狀物料為主，這些物料的流量測量在水泥工廠是由電子皮帶秤和各種固體流量計(jì)來實(shí)現(xiàn)的，它們既是工藝設(shè)備又是自動化設(shè)備，但不屬于流量儀表。近幾年來國外一些公司把新型流量儀表的測量機(jī)理，如科里奧利、超聲波用于計(jì)量稱，較為典型的例子是德國申克公司用科里奧利力測量流體質(zhì)量的機(jī)理開發(fā)的科里奧利稱，用它來測量煤粉比起其他煤粉計(jì)量稱，有結(jié)構(gòu)簡單、控制精度高、計(jì)量和輸送一體化等特點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用在我國水泥行業(yè)，國內(nèi)有些企業(yè)也有用科里奧利開發(fā)的計(jì)量稱，但各方面指標(biāo)多不及申克的產(chǎn)品。
3.在輔助流程中采用新型電磁流量計(jì)。
在水泥工業(yè)的輔助流程主要用于提高設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率和保護(hù)設(shè)備，如廢氣處理流程中增濕噴水是為了增加粉塵的比電阻，從而使電收塵器的效率得以提高。在新型干法水泥廠都設(shè)有噴水自動調(diào)節(jié)回路，在水量控制中各廠設(shè)置了電磁流量計(jì)，有的還配置了捆綁式超聲流量計(jì)，起到了很好的監(jiān)控作用，也使噴水自動調(diào)節(jié)回路能正常運(yùn)行。
新型差壓式均速管流量計(jì)
差壓式均速管流量計(jì)是在上世紀(jì)60年代末問世的，它是基于伯努利能量守恒原則和皮托管測速原理發(fā)展起來的，所謂皮托管測速實(shí)際是測量管道中圓管直徑上或矩形菱形管長與寬上幾點(diǎn)的流速通過能量守恒原則推算出流量的一種插入式流量儀表，此圓管或菱形管通常也稱檢測桿，我們常提到的“阿牛巴流量計(jì)"Annubar實(shí)際就是差壓式均速管流量計(jì)，是一個名稱也是一個注冊商標(biāo)。它因其結(jié)構(gòu)簡單，裝、拆方便，價(jià)格低廉及節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)，在大于口徑為200毫米的管道，在一些行業(yè)常作為流量測量的儀表作為工況監(jiān)控，如我國西氣東輸?shù)氖兰o(jì)工程中，在干線內(nèi)徑為一米的管道上，約50%以上的流量計(jì)采用了Emerson公司的均速管流量計(jì)。而對于水泥行業(yè)特殊的氣體狀況，我們?nèi)缫x用差壓式均速管流量計(jì)，必須要考慮以下幾方面：
1.提供正確的流量和管道數(shù)據(jù)。
差壓式均速管流量計(jì)的機(jī)械尺寸是根據(jù)要安裝的管道尺寸量身定制的，其測量范圍是根據(jù)工藝提供的流量數(shù)據(jù)計(jì)算和標(biāo)定。我們?nèi)缫x用時，一定要正確提供給制造商流量數(shù)據(jù)和管道尺寸，管道尺寸包括外徑和壁厚。
2.正確選擇檢測桿。
差壓式均速管流量計(jì)其主要結(jié)構(gòu)是一根插入的檢測桿，它有各種形式，其截面形狀不一，有圓管或菱形管，近來又推出了翼形、彈頭形、T形、Delta形，由于各種形狀的檢測桿對應(yīng)了不同的流體理論，水泥廠如確定采用均速管流量計(jì)，筆者建議只提供流量數(shù)據(jù)和管道尺寸，可由制造商根據(jù)測定的氣流特性來確定檢測桿的形式和檢測孔的數(shù)量和位置。
3.要選用高精度的微差壓變送器。
差壓式均速管流量計(jì)是根據(jù)皮托管測速原理，通過測總靜壓來推算流量，常用于大口徑測氣體流量，它產(chǎn)生差壓一般都比較小，最小可能只有20-30帕，為此要盡量避免使用引壓管，選用高精度的微差壓變送器，如3051等，可以的方案是采用均速管、三閥組、差壓變送器一體化的直接安裝方式，這樣不但可以減少使用引壓管而引起的泄漏，還可補(bǔ)償受溫度、壓力的變化而變動的差壓信號失真等問題。如選用多參數(shù)變送器一體化的均速管流量計(jì)系列ProBar等。
4.保證一定的直管段長度。
差壓式均速管流量計(jì)前部管道必須確保有7~9倍管道直徑的直管道長度此數(shù)據(jù)各資料不一，從3倍到30倍全有，才能使大管道內(nèi)氣體的流速盡量對稱分布于軸線，只有這樣，僅測幾點(diǎn)的流速就能推算流經(jīng)整個截面的流量，否則大管道內(nèi)氣體的流速分布將會很復(fù)雜，流量系數(shù)K的波動將會很大，不能保證測量的準(zhǔn)確度。但水泥的工藝設(shè)計(jì)不可能保證很長的直管道，這的確是一矛盾。筆者認(rèn)為，如確定選用某種形式的均速管流量計(jì)，可和供貨商商量在保證系統(tǒng)的重復(fù)性前提下，盡量縮短直管道，有的報(bào)道稱，只要測管直徑和工藝管徑之比小于1/10，前部管道的直管道長度可降到3~4倍。
5.重復(fù)性和精確度。
在水泥廠的自動化系統(tǒng)中，差壓式均速管流量計(jì)只是在某一工藝點(diǎn)提供信息源的檢測環(huán)節(jié)，它的輸出所反映的氣體流量信息，并不要求是某一確切值，而應(yīng)是正確無誤地反映流量的變化，如測定磨機(jī)進(jìn)出口風(fēng)量并不是測定風(fēng)量的確切值，主要看它在工藝過程中的變化，通過調(diào)節(jié)以保持風(fēng)量的恒定。這里要求均速管工作可靠，其輸出與流量存在的單值函數(shù)關(guān)系不隨意變化，即重復(fù)性較好就可以了。一般來講直管段達(dá)不到要求的情況下，重復(fù)性可做到0.5%，而誤差就可能超過6%。在自動化系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)和監(jiān)控，采用結(jié)構(gòu)簡單的差壓式均速管流量計(jì)就有其優(yōu)勢。
6.加裝必要的粉塵過濾裝置。
目前均速管制造廠雖然宣稱測量傳感器的抗堵塞問題已能解決，但由于水泥工藝特殊情況，筆者還是建議加裝必要的附屬設(shè)備，如粉塵過濾裝置等，以確保儀表正常工作。
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