在工業生產過程中, 流量是一個非常重要的測量參數。目前測量流量的儀表類型很多, 比較常見的有超聲波流量計, 電磁流量計, 渦街流量計, 浮子式流量計, 孔板流量計等等, 這些流量計都有一個共同的特點就是都是測量體積的, 測量精度受到溫度, 壓力, 等外部影響比較大。在實際的工業生產過程中, 人們出于節能降耗, 提高生產效率, 提高產品質量等各種原因而更加關心測量對象流過管道的質量流量是多少, 科里奧利質量流量計應運而生。它是根據流體在振動的管道中流動時, 會對管壁產生一個與質量流量成正比的力的原理制成的, 這個力就是科里奧利力。

科里奧利力的計算公式如下:

F=2m覣v (1)

上面的式中:F為科里奧利力, m為質點質量, 覣為旋轉體系的角速度, v為質點在旋轉體系中的運動速度, 其中F、覣、v均為矢量, 且覣是按正弦規律變化的量。

圖1為流體經過測量管路的示意圖, 由于科里奧利力的存在, 流體經過測量管路時相對于R-R軸會產生一個扭轉力矩M, 如圖1所示, 因為F1=F2=F, 且r1=r2=r, 所以

將 (1) 代入 (2) 得

M=4覣·v·m·r (3) 因為質量流量qm=tm, 且v=tL, 代入 (3) 得

因為質量流量qm=m/ t, 且v=L/t, 代入 (3) 得

在力矩M的作用下, 測量管會產生扭轉角, 角度為θ, 假設測量管路系統的彈性形變系數為K, 那么就有

由 (4) 、 (5) 兩式可得

根據正弦定理且轉動角θ很小, 所以有

式中△t為測量管路上兩個直管端點通過中點位置Z的時間差, 由 (6) 和 (7) 可以得出

qm=8r2·覣·LK·覣·L·△t=K8r2△t (8)

在科里奧利質量流量計的制造過程中, 測量管路系統的彈性形變系數K和兩個振動管之間的距離的一半, 即r都是固定已知的, 因此質量流量qm只與△t有關。

由相位檢測技術可以很容易測量出△t, 然后經過信號處理電路即可算出流經測量管路的流體的質量流量, 又因為測量管路的振蕩頻率為流體密度的反比例函數, 因此也可以根據測量管路的振蕩頻率計算出流經測量管路的流體密度。

除此之外, 一般還會在科里奧利質量流量計的測量管路的進口端管壁上加裝一個貼片式鉑電阻, 由此鉑電阻的阻值算出測量管路的溫度, 根據此溫度值對測量管路系統的彈性形變系數K以及流體密度值等作出修正, 進一步提高質量流量測量的精度。

  由于科里奧利質量流量計的使用日益廣泛, 并且相當部分的流量計都在高溫高濕有腐蝕的環境下工作, 同時由于變頻器的使用增大的流量計的供電系統不確定性, 因此質量流量計難免會出現各種各樣的故障。如果能根據現場現象準確判斷出質量流量計的故障所在, 并且快速給出維修意見, 迅速修好質量流量計, 盡快恢復正常生產就能節約大量時間提高了生產效率, 同時避免了采購更新不必要的設備節省大量的流動資金, 能極大的提高工廠的效益。下面是筆者根據從業幾年來維護科里奧利質量流量計的工作經驗總結的幾種常見的故障和相對應的維修方案。

(1) 故障現象:質量流量計變送器無輸出, 故障燈也不閃爍。故障原因以及維修方案:首先檢查供電系統, 如無220V供電, 交由車間電工處理供電故障;如質量流量計變送器里面的保險絲燒斷, 立即更換相同型號的保險絲;如質量流量計變送器的電源板塊上的電容有燒斷情況出現, 應迅速更換相同型號的電容。

事故案例:樂凱集團股份三號機供料熔化工段有多臺流量變送器故障報警, 檢查發現測量板均正常工作, 電源供電也正常, 唯獨電源板上有一個電容有些松動, 仔細觀察電容正極的引腳發現有些燒黑的痕跡, 將其更換新的電容后流量變送器工作正常, 后續檢查發現多臺流量變送器故障報警均由此電容燒斷引起。

(2) 故障現象:質量流量計變送器變送輸出瞬時流量顯示***大值。故障原因及維修方案:如質量流量傳感器損壞, 應更換新的質量流量傳感器;如信號傳輸線路故障, 應更換新的信號傳輸電纜;如質量流量計變送器的驅動電路沒有電壓, 應在檢查電路之后更換質量流量計變送器內的保險絲, 如質量流量計變送器的驅動電路有直流電壓卻沒有交流電壓, 且手觸摸質量流量計傳感器無振感, 說明振蕩系統沒有工作, 傳感器沒有起振, 此種情況下應先確定質量流量計傳感器的測量管路是否有堵塞情況出現, 如有堵塞應立即疏通, 如疏通后質量流量計傳感器仍無振感, 可輕輕的拍一下質量流量傳感器的外殼看能否起振, 如仍舊不能起振, 這說明質量流量傳感器的安裝有問題, 應該對照說明書從新安裝一遍質量流量傳感器。

(3) 故障現象:質量流量變送器零點輸出穩定, 但是輸出不能回到零。負故障原因及維修方案:首先應該排除是不是質量流量傳感器安裝的問題, 安裝是否鉛直, 固定是否牢固等, 應對照質量流量計安裝說明書重新安裝一遍;如用于標定質量流量計的水與實際工況中的流經質量流量計測量管路總的流體的溫度, 密度等系數又較大差別的, 應該用于被測流體物理特性相接近的流體重新標定一下;如管道堵塞, 應該清理一下管路;如果以上方法均不能使質量流量變送器的輸出回到零點, 如果零點始終高于0, 可以適當增大質量流量變送器測量電路板上的R45、R46或者減小質量流量變送器測量電路板上的R47、R48, 如果零點始終低于0, 方法相反, 可以適當減小質量流量變送器測量電路板上的R45、R46或者增大質量流量變送器測量電路板上的R47、R48。

(4) 故障現象:當流過質量流量計的流體增加時, 質量流量計變送器的輸出反而變小了。故障原因及維修方案:按照 (3) 中檢查一遍, 如果都正常, 那么流經質量流量傳感器的流體的流向與質量流量傳感器外殼的指示流向相反, 或者是質量流量變送器的信號線接反了, 將接反的信號線改正即能恢復正常。

(5) 故障現象:在質量流量計正常工作的時候, 質量流量變送器輸出波動很大。故障原因及維修方案:檢查質量流量傳感器的安裝, 如安裝不穩或者周圍有振動源干擾, 重新安裝質量流量傳感器;檢查供電電源的接地線, 接地電阻應小于4Ω, 如果超出此范圍, 應重新接地;檢查質量流量變送器周圍是否有輻射源, 應讓質量流量變送器遠離變頻器, 電機, 頻繁動作的動力電氣柜等。

  筆者在維護樂凱集團幾個相關車間的儀器儀表期間, 利用報廢的科里奧利質量流量計作為元器件庫, 幾年里先后維修恢復好質量流量計變送器十余臺, 累計節省流動資金近百萬元, 減少了因質量流量計故障而停車的事故, 提高了生產效率, 產生了可觀的經濟效益。