科氏质量流量计多参数测量实验装置设计

董　帅, 侯其立, 徐科军,2, 石　岩 , 陶波波, 刘　铮

(1. 合肥工业大学 电气与自动化工程学院, 安徽 合肥　230009；2. 工业自动化安徽省工程技术研究中心, 安徽 合肥　230009)



科氏质量流量计多参数测量实验装置设计

董帅1, 侯其立1, 徐科军1,2, 石岩1, 陶波波1, 刘铮1

(1. 合肥工业大学 电气与自动化工程学院, 安徽 合肥230009；2. 工业自动化安徽省工程技术研究中心, 安徽 合肥230009)

为实现科氏质量流量计的研究和应用,设计了一套科氏质量流量计多参数测量实验装置,重点介绍了该实验装置的结构原理、关键部件选型和技术指标。实际应用表明,该实验装置设计合理、功能完善、测试准确可靠,可以用来进行单相流、气液两相流等实验。

科氏质量流量计； 实验装置; 单相流； 气液两相流； 多参数测量

科里奥利质量流量计(以下简称科氏质量流量计)可以直接测量流体的质量流量,测量精度高，还能测量流体密度等参数,具有广阔的应用前景[1]。科氏质量流量计主要应用于单相液体质量流量的测量[2]。而工业应用中,常遇到气液两相流的测量,如在食品加工和油料运输过程等,常用高压压缩空气吹洗管道,气体不可避免会混入液体当中,导致气液两相流发生[3]。当今,气液两相流测量是科氏质量流量计所面临的工业难题[4-14]。研究科氏质量流量计单相和气液两相流测量需要大量的实验数据,因此,科氏质量流量计实验装置的研制是解决科氏质量流量计面临的难题的前提。

本课题组设计了一套用于6 mm及以下口径传感器的气液两相流实验装置,该实验装置以爱默生6 mm三角形科氏质量流量计为标准表。该实验装置目前已投入使用,是国内高校第一台科氏质量流量计气液两相流实验演示装置[15]。

为了研究更大口径科氏质量流量计和获得更多的科氏质量流量计实验数据,本文设计了基于称重法的科氏质量流量计多参数测试实验装置(以下简称实验装置),该实验装置能够对25 mm及以下口径的科氏传感器进行单相水流量标定实验、气液(空气-水)两相流实验、液体加热实验和压损实验。

1　装置结构及工作原理

根据科氏质量流量计单相流和气液两相流实验的需要,使用称重装置作为标准表,采用循环实验的方案。装置由水循环管路和加气管路组成。水流量通过水循环管路流经科氏传感器,最后流入称重装置；气体由加气管路加入,通过气液混合器混合,形成气液两相流。由于科氏质量流量计测量精度还与科氏传感器安装方式有关,本装置能够实现科氏传感器的水平和垂直两种安装方式的切换。

如图1所示,该实验装置主要由PLC、水泵、空压机、气体罗茨流量计、气体玻璃浮子流量计、液体涡轮流量计、称重装置(含电子秤和称重水箱)、换向器、温控器、稳压罐、温度计、差压计、密度计、水箱及气动球阀等组成。水循环管路中安装一个旁路式稳压罐,可以减小水流动的脉动。在科氏传感器的下游安装一个透明模型,用于观察气液两相流混合的均匀程度。气体是由空压机产生,并利用气体罗茨流量计或气体玻璃浮子流量计测量其体积流量。累积的水质量流量由称重装置测量。

整个实验装置通过WinCC监控软件对水泵、空压机、气动球阀及换向器等进行控制,并对质量流量计、气体罗茨流量计、液体涡轮流量计、电子秤、温度计、差压计及密度计的信号进行采集和处理,实现自动标定和数据记录。

图1　实验装置结构

该实验装置具有单向水标定实验、气液两相流实验、液体加热实验和压损实验的功能,各项实验工作原理如下:

(1) 单相水标定实验。单相水标定实验分为单相水动态标定实验(即动态质量法)和单相水静态标定实验(即静态质量法)。

① 单相水动态标定实验。通过换向器的切换,测量一段时间内流过被测科氏质量流量计的累积流量,与标准称量值对比而得出测量误差。具体操作：换向器切换至1路,水通过水循环管路流经科氏传感器,经过1路流入水箱,通过手动调节阀调节水流量大小；开始实验,换向器切换至2路,称重装置净重值清零,与此同时,PLC开始采集被测科氏质量流量计流量脉冲；实验结束,换向器切换回1路,PLC停止采集被测科氏质量流量计流量脉冲,待称重装置稳定后,PLC采集称重装置净重值。这样,通过比较科氏质量流量计测量值与称重装置测量值,即可得到科氏质量流量计单相水动态标定实验误差。

② 单相水静态标定实验。通过气动阀1的启停,测量一段时间内流过被测科氏质量流量计的累积流量,与标准称量值对比而得出测量误差。具体操作：换向器切换至1路,水通过水循环管路流经科氏传感器,经过1路流入水箱,通过手动调节阀调节水流量大小,气动阀1关闭,换向器切换至2路；开始实验,气动阀1打开,称重装置净重值清零,与此同时,PLC开始采集被测科氏质量流量计输出的流量脉冲；实验结束,气动阀1关闭,待称重装置稳定后,PLC采集称重装置净重值。通过比较科氏质量流量计测量值与称重装置测量值,即可得到科氏质量流量计单相水静态标定实验误差。

(2) 气液两相流实验。在水中均匀混合一定比例的空气,测量一段时间内流过被测科氏质量流量计的混合流体的累积流量,与标准称量值对比而得出测量误差。具体操作：换向器切换至1路,通过手动调节阀调节水流量大小,根据仪表球阀2或仪表球阀3调节气体流量大小,水和气体经气液混合器混合后形成气液两相流,流经科氏传感器,经过1路流入水箱；开始实验,换向器切换至2路,称重装置净重值清零,与此同时,PLC开始采集被测科氏质量流量计流量脉冲；实验结束,换向器切换回1路,PLC停止采集被测科氏质量流量计流量脉冲,待称重装置稳定后,PLC采集称重装置净重值。通过比较科氏质量流量计测量值与称重装置测量值,即可得到科氏质量流量计气液两相流实验误差。

(3) 液体加热实验。通过温控器控制加热棒,可以将水温度控制在室温至60 ℃之间,即可在不同温度下进行单相水标定实验、气液两相流实验等。

(4) 压损实验。通过手动调节阀调节水流量大小,进行单相水标定,PLC自动采集差压变送器的压力,再改变水流量大小进行测量,这样,便可以得到不同水流量下科氏传感器的压损数据。

2　关键部件选型或设计

为了达到设计的各项功能,对该实验装置中一些关键部件进行了选型或设计,分别介绍如下。

(1) 电子秤。本实验装置是以电子秤为标准表而设计,WU150L-560电子秤最大量程为150 kg,分辨率为20 g,测量精度高,上位机可通过以太网对其进行监控,以其为标准表,能够满足设计要求。实际使用时,为验证被测科氏质量流量计的重复性,每个流量点需要重复实验3次,因而每次实验累积流量在30 kg左右,这样3次实验累积的流量在120 kg左右。

(2) 换向器。无论是单相水动态标定实验,还是气液两相流实验,实验开始和结束都是通过换向器换向来完成的,因此换向器切换速度和可靠性对实验装置的精度具有决定性影响。DHX-25型换向器结构简单,机械寿命长,操作方便,用光电脉冲信号转换器精确控制计时,换向行程时间不超过100 ms,2个方向上行程时间差不大于20 ms,凡接触液体介质的部件全部用不锈钢制作,因此,本装置选择该型号换向器。

(3) 水泵。本实验装置设计的最大流量为100 kg/min(6m3/h),因此,水泵的额定功率应该大于6 m3/h。另外,水流量的稳定性也会影响科氏质量流量计的测量精度,因此水泵抽出的水流量脉动性要小。为此,选择浙江利欧生产的LVS5型多级水泵,其具体参数:最大扬程为74 m，最大流量为8 m3/h，功率为2.2 kW。

在安装过程中,要尽量减弱水泵的振动,以减小其对被测科氏质量流量计的不良影响。

(4) 空压机。空压机需要产生足够流量、足够压力的气体,其一为气动阀提供动力,其二为气液两相流实验提供气体,使气液两相流实验时气液混合比能达到35%。由于空压机频繁工作,需要其性能可靠、寿命长。所以选择捷豹EV-51型空压机,其具体参数:功率为1.5 kW，排气量为0.21 m3/min，压力为8×105Pa。

(5) 水箱。本实验装置采用循环实验的方案,因此需要一个水箱实现水路的循环。考虑到水的温度对水流量标定实验装置精度的影响[16],设计了长、宽、高分别为1.6 m、1.3 m、0.9 m的不锈钢水箱,可以保证被测科氏质量流量计在一次完整的水流量标定实验过程中水的温度不发生明显变化(一般能保持在2 ℃内变化)。

(6) 气液混合器。在气液两相流实验中,气液混合均匀程度会影响到气液两相流实验结果[8],因而设计了一个气液混合器,并安装在被测科氏质量流量计上游。水和空气在气液混合器中均匀混合后,再通过管道流入被测科氏传感器中。

3　实验装置精度和指标

在实验装置加工制造完成后,我们在实验装置上安装爱默生25 mm口径三角形科氏质量流量计(0.1级精度),进行各项实验,以考核本装置的精度和所达到的技术指标。经过实际考核,该实验装置的精度和指标见表1。实际考核表明,该装置达到了设计的功能和指标,可以用于实际应用。

表1　本装置的精度和指标

4　实际应用

该实验装置主要功能是实现科氏质量流量计单相水动态标定实验和气液两相流实验,在该实验装置上安装项目组研制的变送器,匹配国产的某25 mm口径的科氏传感器,进行如下实验。

(1) 单相水动态标定实验。按照科氏质量流量计检定规程JJG1038—2008[17-18],单相流情况下应对被检仪表在不同流量点下进行标定,检定流量点依次为qmax、0.5qmax、0.2qmax、qmax、qmin、qmax(qmax为最大流量，qmin为最小流量),每个流量点的每次实际检定流量与设定流量的偏差不超过设定流量的±5%,每个流量点的检定次数不少于3次。表2为单相水动态标定实验结果。

表2　单相水动态标定实验结果

由表2可见,流量从110～11 kg/min范围内,我们研制的变送器的测量精度优于0.1%,测量重复性优于0.05%。

(2) 气液两相流实验。在进行气液两相流实验时,需要采集不同水流量、不同含气量下实验误差。因装置上测量气体的浮子流量计和罗茨流量计反应不够灵敏,在加气量较小时无刻度显示,且装置中的压力表不够准确,无法精确得到含气量,但是根据被检表算出的流体密度,可以间接反映加入气体流量的多少。两相流发生时,被检表根据算出的信号频率,得到混合物的密度,再结合单相液体密度值,即可计算出密度降。实际实验过程中,是用密度降来间接反映含气量。

气液两相流下,科氏质量流量计测量误差很大,为此在研制的变送器的程序中,加入了采用BP神经网络建模得到的误差修正模块,实验结果如图2所示。

图2　气液两相流测量误差

实验结果表明,该实验装置能实现气液两相流测量,在流量为35～95 kg/min范围内,密度降从0～30%变化时,测量精度优于5%。

5　结语

本文设计了一套基于称重法的科氏质量流量计多参数测量实验装置,该实验装置称量一次实验过程中的液体的累积质量流量为标准值,与标准表法相比较具有更高的标定精度。该实验装置具有测量多种参数功能,能够进行单相水标定实验、气液两相流实验、液体加热实验和压损实验。该实验装置为科氏质量流量计算法的研究及其应用推广打下了基础。目前,该实验装置已经在实验室投入使用,并取得了良好的效果。

References)

[1] Anklin M,Drahm W,Rieder A. Coriolis mass flowmeters: Overview of the current state of the art and latest research [J]. Flow Measurement and Instrumentation,2006,17(6): 317-323.

[2] Reizner J R. Coriolis-the almost perfect flow meter [J]. IEE Computing & Control Engineering, 2003,14(4): 28-33.

[3] Gregory D,West M,Paton R,et al. Two-phase flow metering using a large coriolis mass flow meter applied to ship fuel bunkering[J]. Measurement and control,2008,41(7):208-212.

[4] Seeger M. Coriolis flow measurement in two phase flow[J]. IEE Computing & Control Engineering,2005,16(3):11-16.

[5] Reizner J R. Coriolis-the almost perfect flow meter[J]. IEE Computing & Control Engineering, 2003,14(4):28-33.

[6] Hemp J,Yeung H. Coriolis meters in two phase conditions[J]. IEE Computing & Control Engineering,2003,14(4):36.

[7] Liu R P,Fuent M J, Henry M P,et al. A neural network to correct mass flow errors caused by two-phase flow in a digital Coriolis mass flowmeter[J]. Flow Measurement and Instrumentation,2001,12(1):53-63.

[8] Henry M P,Tombs M,Duta M D,et al. Two-phase flow metering of heavy oil using a Coriolis mass flow meter: A case study[J]. Flow Measurement and Instrumentation,2006,17(6): 399-413.

[9] Henry M P,Fuent M J. Correcting for two-phase flow in a digital flowmeter:U S,US6505 519B2[P].2003.

[10] Wu D,Wang C. Measurement of oil content in oil-water two-phase flow using Coriolis flow meter[C]//Computer Application and System Modeling (ICCASM).2010 International Conference on IEEE,2010: V5336-V5339.

[11] Lari V A,Shabaninia F. Error correction of a Coriolis mass flow meter in two-phase flow measurment using Neuro-Fuzzy[C]//Artificial Intelligence and Signal Processing(AISP). 2012 16th CSI International Symposium on IEEE,2012: 611-616.

[12] Hou Q L,Xu K J. Gas-Liquid Two-Phase Flow Correction Method for Digital CMF [J]. IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,2014,63(10): 2396-2404.

[13] 侯其立,徐科军,李叶,等.用于微弯型科氏质量流量计的数字变送器研制[J]. 电子测量与仪器学报,2011,25(6):540-545.

[14] 陶波波,侯其立,石岩,等.科氏质量流量计测量含气液体流量的方法与实现[J].仪器仪表学报,2014,35(8):1796-1802.

[15] 李苗,徐科军,侯其立,等.科氏质量流量计气液两相流实验装置设计[J]. 实验技术与管理,2012,29(3):75-79.

[16] 杨焕彩.基于LabVIEW的流量计标定系统研究[D].杨凌:西北农林科技大学,2009:5-18.

[17] 中国计量科学研究院.JJG164—2000液体流量标准装置国家计量检定规程[S].北京:中国计量出版社,2000.

[18] 国家质量监督检验检疫总局.JJG1038—2008科里奥利质量流量计检定规程[S].北京:中国计量出版社,2008.

Design of a multi-parameter measuring experimental device for Coriolismass flowmeter

Dong Shuai1, Hou Qili1, Xu Kejun1,2, Shi Yan1, Tao Bobo1, Liu Zheng1

(1. School of Electrical and Automation Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009,China;2. Engineering Technology Research Center of Industrial Automation of Anhui Province, Hefei 230009, China)

In order to realize the research and application of Coriolis mass flowmeter,the multi-parameter measuring experimental device for Coriolis mass flowmeter is designed. The structure and principle of the experimental device,the selection of key parts and technical indicators are highlighted. The applications prove that this device has reasonable design,perfect performance and accurate measurement ability. It can be used to realize the experiments of single phase flow and gas-liquid two-phase flow.

Coriolis mass flowmeter; experimental device; single phase flow；gas-liquid two-phase flow；multi-parameter measuring

DOI：10.16791/j.cnki.sjg.2016.01.024

2015- 06- 03修改日期：2015- 07- 15

2014年安徽省省级质量工程项目(2014gxk003)资助

董帅(1988—)，男，安徽六安，硕士研究生，主要研究方向为自动检测技术

E-mail：dong_hfut@foxmail.com

徐科军(1956—)，男，江苏无锡，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为传感器技术、自动化仪表和数字信号处理.

E-mail：dsplab@hfut.edu.cn

TH814;G484

A

1002-4956(2016)1- 0096- 04