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科氏流量计管内附着检测方法|基于密度测量科氏流量计

时间:2017/09/11来源:未知

摘要:针对科氏流量计振动管管内附着检测困难的问题,提出一种基于密度测量的科氏流量计管内附着检测方法。首先,在分析振动管振动频率与管内液体密度之间关系的基础上,采用基于相位匹配的算法实现频率跟踪,根据频率的变化检测管内是否附着;其次,通过配制不同密度的 NaCl 溶液标定了频率和密度之间的关系,密度测量的相对误差低于 0.3% ;***后,通过滴焊锡的方式进行了附着检测实验。实验结果表明:可以通过测量管内液体密度变化来判断管内是否有附着,为检验振动管的清洗效果提供了一种新的方法。

0、引言:
  科里奥利质量流量计 ( Coriolis mass flowmeter,CMF,以下简称科氏流量计) 能够直接测量液体的质量流量,具有测量精度高、测量范围广、可多参数测量等优势,广泛运用于各个工业领域,是当前发展***为迅速的流量计之一
  当科氏流量计长时间使用之后,振动管内壁容易附着沉淀物,特别在振动管弯曲部分附着较多,使得振动管左右结构不对称,左右振动阻尼发生变化,造成科氏流量计零点发生漂移且不稳定。这严重影响了科氏流量计的测量精度,尤其在小流量测量时,零点漂移使得流量计误差急剧增大,甚至导致无法正常。文献[4]提出了测量振动管三阶谐振频使用 率,并通过阈值判断管内是否有附着,该方法能够检测管内附着,但阈值的设定困难,并且不易实现。对于振动管的清洗工作,通常是在科氏流量计使用一段时间后,根据经验利用化学试剂对振动管内部进行清洗,该方法简单有效,但无法确定何时清洗振动管,以及清洗的时间长短,且无法判断清洗效果。
  针对上述问题,本文提出一种基于测量振动管内液体密度的变化来检验管内是否有沉淀物附着的方法。
 
1、附着检测原理:
  科氏流量计可用于多参数测量,在测量液体质量流量时,也能够测量液体密度,可根据测量密度的变化判断管内是否有沉淀附着。
 
1. 1 基于密度测量的附着检测原理
 
根据振动管的振动方程,振动频率可以利用式
 
[4 - 6]        
(1) 进行计算        
           
  f = k   EI (1)
  mt + mf
式中:f 为振动频率;k 为常数;E 为杨氏模量;I 为转动惯量;mt 为振动管质量;mf 为振动管内液体质量。
 
当振动管内部有沉淀物附着时,振动管的振动频率将会发生变化:
 
f = k EI (2)
mt + M
式中 M 为管内附着物和液体质量之和。
 
假设管内附着物质量为 m,附着物密度为 ρ0 ,附着物体积为 V,管内液体质量为 m,液体密度为 ρ,液
 
体体积为 V - V,则管内附着物和液体质量之和为
M = ρ( V - V) + ρ0 V (3)
 
振动管振动频率为
 
EI
 
f = k 槡mt + mf + ( ρ0 - ρ)  V         (4) 对比式(1) 和式(4) 可知:当振动管内充满相同液体且无附着时,振动管的振动频率保持稳定,不会发
 
生变化;当有沉淀物附着在管内壁时,振动管振动频率发生改变。
 
科氏流量计测量的密度是振动管内附着物和液体的综合密度,设附着物和液体的综合密度为 ρ。
    M = ρV     (5)
mt   k2 EI   b (6)
ρ = -   +   = a +  
V f 2 V f 2
       
式中:a = - mt / V,b = - k2 EI /V。
 
即在相同条件下,可通过测量充满相同液体的振动管管内液体密度,判断管内是否有附着物。
 
1. 2 频率跟踪算法
 
要确定振动管振动频率和管内液体密度之间的系数关系,首先需要实时地跟踪振动管的振动频率变化,准确地测量液体的密度。
 
利用课题组自研的基于相位匹配的频率跟踪算法,实时跟踪振动管的振动频率7。算法流程如下:
 
N -p
λ( k) =  ∑[x( n + k) + x( n - k) ]x( n)  (7)
n = p +1
 
利用式(7) 计算振动管振动信号 x( n) 的自相关序列,其中 k = 1,2,…,P,P≤[( N - 1) /2];N 为信号
长度。        
利用式(8) 对信号频率进行粗估计:  
         
ω1 = cos - 1 ( b + b2 + 8c2 ) (8)
  4c  
p -4   p -4  
 
式中: b = ∑( λk + λk +4 )·λk +2 ;c = ∑[λk +1 + λk +3] k = 1 k = 1
·λk +2 。
 
通过算法对频率进行修正,利用式(9) 可得到精
确的频率估计值 ω0 。
ω0 = ω1 +
 
p p p p
∑λ(k)coskω1∑λ(k)sinkω1  - ∑λ(k)2∑Kcoskω1sinkω1
k =1 k =1 k =1 k =1
  p p p
  2 2 2
  [∑λ(k)sinkω1] - ∑λ(k) ∑[ksinkω1
  k =1 k =1 k =1
 
(9) 该频率跟踪算法是一种无偏的频率估计算法,具有精度高、实时性与抗噪性能好等优势,满足本文所需频率跟踪要求。
 
2、附着检测实验:
 利用测量振动管内液体密度变化判定管内是否有物附着,需要通过标定实验来确定振动管振动频率和管内液体密度之间的关系。
 
2. 1、密度标定实验:
 由于本文采用的科氏流量计测量对象是 NaCl 溶液,可以利用食用盐和水配制不同密度的 NaCl 溶液用于密度测量的标定实验。配制液体时,采用 EL204 - 1C 型高精度的电子天平测量液体质量,其测量范围为0 ~ 220 g,实际测量精度可达 0. 1 mg;采用 100 mL 的容量瓶测量液体体积,精度可达到 0. 01 mL。通过 ρ = m /V计算可得到液体的密度,根据有效数字的保留规则,配制的液体密度精度可达 1 mg /cm3 。
 为了更准确地标定振动管振动频率和管内液体密度之间关系,在实验中采用“静水法”测试,即在实验时,使振动管内充满液体,但液体不流动,可减小外界因素对频率跟踪的干扰( 如压力变化) ,提高标定精度。利用基于相位匹配的频率跟踪算法实时跟踪不同密度液体下振动管的振动频率,实验结果如表 1所示。
 利用***小二乘法拟合实验数据,得到振动管的振动频率和管内液体密度的关系如图 1 所示,线性回归
结果如表 2 所示。由表 2 可知:拟合曲线的线性度很好,判定系数R2 接近于 1,且 F 检验概率值 p 远小于显著水平,说明回归模型的拟合程度非常高,回归方程高度显著。

    表 1 频率与密度的关系    
               
编号 频率 / Hz 密度/ (g·cm 3 ) 编号 频率 / Hz 密度/ (g·cm 3 )
               
1 47. 430 3 0. 991 5 11 47. 089 3 1. 106 8
2 47. 426 9 0. 992 0 12 47. 056 7 1. 118 3
3 47. 402 5 1. 001 1 13 47. 027 6 1. 126 7
4 47. 383 5 1. 006 6 14 47. 007 9 1. 133 4
5 47. 365 2 1. 013 3 15 46. 976 1 1. 142 6
6 47. 318 3 1. 028 8 16 46. 966 1 1. 148 2
7 47. 247 5 1. 051 3 17 46. 839 7 1. 189 0
8 47. 230 0 1. 058 4 18 46. 805 2 1. 212 7
9 47. 153 9 1. 084 1 19 46. 671 4 1. 250 6
10 47. 126 2 1. 094 2 20 46. 528 5 1. 301 7
 	图 1	频率与密度的关系



  图 1 频率与密度的关系    

  表 2 线性回归结果    
         
    判定系数   显著性
a b F p
    2    
- 6. 955 9 1. 787 7 × 104 0. 999 4  2. 898 2 × 104 0 0. 05
 
为检验拟合所得的振动管振动频率和管内液体密度关系的准确性,配制不同密度的 NaCl 液体用于检验密度测量精度,验证结果如表 3 所示。
 
    表 3 验证结果    
           
编号 频率 / Hz 液体密度 测量密度 相对误差 / %
/ ( g·cm  3 )  / ( g·cm  3 )
       
1 47. 415 1 0. 996 5 0. 996 0 0 . 050
2 47. 392 6 1. 003 8 1. 003 6 0 . 020
3 47. 370 7 1. 012 2 1. 010 9 0 . 13
4 47. 289 9 1. 038 2 1. 038 2 0 . 0
5 47. 196 8 1. 072 2 1. 069 8 0 . 22
6 47. 133 1 1. 093 2 1. 091 5 0 . 16
7 47. 066 2 1. 113 2 1. 114 4 0 . 11
8 47. 018 1 1. 130 3 1. 130 9 0 . 053
9 46. 944 7 1. 154 9 1. 156 2 0 . 11
10 46. 736 3 1. 231 4 1. 228 7 0 . 22
             
 
由表 3 可知: 通过标定,密度测量精度高,可达3 mg / cm3 ,相对误差低于 0. 3% 。
 
2. 2、附着检测实验:
 本文采用课题组研制的小流量差分检测实验系统进行模拟附着验证实验,该科氏流量计的振动管内径 0. 18 cm,长度 40 cm,通过计算,该科氏流量计对附着的测量分辨率大约 0. 03 g。
 由于模拟管内附着实验困难,通过在振动管外部滴焊锡的方式模拟附着。采用“静水法”测量,减少了压力变化等外界因素的影响,因此,附着于管内和管外效果可等效。附着时: 
f = k EI (10)
槡mt + mf +  m
式中 m 为模拟附着焊锡的质量。利用在振动管外壁加焊锡的方式模拟管壁附着,实验结果如表 4 所示。
表 4 附着检测实验结果
 
焊锡 / 滴 频率 / Hz 密度 / ( g·cm  3 )

 
0 47. 430 3 0. 990 9
1 47. 295 6 1. 036 3
2 47. 126 3 1. 093 8
3 46. 948 6 1. 154 8
4 46. 802 4 1. 205 6
通过模拟实验结果表明:随着振动管壁附着物的增加,振动管振动频率降低,测量的密度增加,其结果和理论推导一致,则该方法是有效的。在应用中,可以通过测量振动管内液体密度来检测管内是否有附着,且检验振动管的清洗效果。
 
3、结论:
 本文提出了基于密度测量的科氏流量计内部附着检测方法;分析了振动管振动频率和管内液体密度之间的关系;推导管内附着对密度测量的影响;并通过实验验证了方法的有效性。
 结果表明:本文所提方法可以高精度地测量振动管内部液体的密度,并可通过密度变化来判断振动管内壁是否有附着物,检验振动管的清洗效果。同时,也为科氏流量计振动管内部附着测量的研究提供了一种新方法。

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