科里奧力流量計(jì)傳感器內(nèi)

在沒有流體流經(jīng)流量管時(shí)，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz，流體流入流量管時(shí)被強(qiáng)制接受流量管的上下垂直運(yùn)動(dòng)。在流量管向上振動(dòng)的半個(gè)周期內(nèi)，流體反抗管子向上運(yùn)動(dòng)而對(duì)流量管施加一個(gè)向下的力；反之，流出流量管的流體對(duì)流量管施加一個(gè)向上的力以反抗管子向下運(yùn)動(dòng)而使其垂直動(dòng)量減少。這便導(dǎo)致流量管產(chǎn)生扭曲，在振動(dòng)的另外半個(gè)周期，流量管向下振動(dòng)，扭曲方向則相反，這一扭曲現(xiàn)象被稱之為科里奧利(Coriolis)現(xiàn)象，即科氏力。

根據(jù)牛頓第二定律，流量管扭曲量的大小完全與流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量大小成正比，安裝于流量管兩側(cè)的電磁信號(hào)檢測器用于檢測流量管的振動(dòng)。當(dāng)沒有流體流過流量管時(shí)，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩側(cè)電磁信號(hào)檢測器的檢測信號(hào)是同相位的；當(dāng)有流體流經(jīng)流量管時(shí)，流量管產(chǎn)生扭曲，從而導(dǎo)致兩個(gè)檢測信號(hào)產(chǎn)生相位差，這一相位差的大小直接正比于流經(jīng)流量管的質(zhì)量流量。

由于這種質(zhì)量流量計(jì)主要依靠流量管的振動(dòng)來進(jìn)行流量測量，流量管的振動(dòng)，以及流過管道的流體的沖力產(chǎn)生了科氏力，致使每個(gè)流管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)量與振動(dòng)周期內(nèi)流過流管的質(zhì)量流速成正比。由于一個(gè)流管的扭曲滯后于另一流管的扭曲，質(zhì)量管上的傳感器輸出信號(hào)可通過電路比較，來確定扭曲量。

電路中由時(shí)間差檢測器測量左右檢測信號(hào)之間的滯后時(shí)間。這個(gè)“時(shí)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(shí)間差乘上流量標(biāo)定系數(shù)來表示質(zhì)量流量。由于溫度影響流管鋼性，科氏力產(chǎn)生的扭曲量也將受溫度影響。被測量的流量不斷由變送器調(diào)整，后者隨時(shí)檢測粘在流管外表上的鉑電阻溫度計(jì)輸出。變送器用一個(gè)三相的電阻溫度計(jì)電橋放大電路來測量傳感器溫度，放大器的輸出電壓轉(zhuǎn)化成頻率，并由計(jì)數(shù)器數(shù)字化后讀入微處理器。

一臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量系統(tǒng)包括一臺(tái)傳感器和一臺(tái)用于信號(hào)處理的變送器。Rosemount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(duì)P軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受兩個(gè)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2ωr，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(dòng)，在質(zhì)點(diǎn)的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對(duì)質(zhì)點(diǎn)作用著一個(gè)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(dòng)時(shí)，任何一段長度Δx的管道將受到一個(gè)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：mq=ρVA

所以：ΔFc =2ωqmΔx （2）

因此，直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管中流 動(dòng)流體的科里奧利力就可以測得質(zhì)量流量。

?又稱科氏力質(zhì)量流量計(jì)

科氏力質(zhì)量流量計(jì)是運(yùn)用流體質(zhì)量流量對(duì)振動(dòng)管振蕩的調(diào)制作用即科里奧利力現(xiàn)象為原理，以質(zhì)量流量測量為目的的質(zhì)量流量計(jì)，一般由傳感器和變送器組成。

流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結(jié)構(gòu)可看做一重物懸掛在彈簧上構(gòu)成的重物/彈簧系統(tǒng)，一旦被施以一運(yùn)動(dòng)，這一重物/彈簧系統(tǒng)將在它的諧振頻率上振動(dòng)，這一諧振頻率與重物的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量流量計(jì)的流量管是通過驅(qū)動(dòng)線圈和反饋電路在它的諧振頻率上振動(dòng)，振動(dòng)管的諧振頻率與振動(dòng)管的結(jié)構(gòu)、材料及質(zhì)量有關(guān)。振動(dòng)管的質(zhì)量由兩部分組成：振動(dòng)管本身的質(zhì)量和振動(dòng)管中介質(zhì)的質(zhì)量。每一臺(tái)傳感器生產(chǎn)好后振動(dòng)管本身的質(zhì)量就確定了，振動(dòng)管中介質(zhì)的質(zhì)量是介質(zhì)密度與振動(dòng)管體積的乘積，而振動(dòng)管的體積對(duì)每種口徑的傳感器來說是固定的，因此振動(dòng)頻率直接與密度有相應(yīng)的關(guān)系，那么，對(duì)于確定結(jié)構(gòu)和材料的傳感器，介質(zhì)的密度可以通過測量流量管的諧振頻率獲得。

利用流量測量的一對(duì)信號(hào)檢測器可獲得代表諧振頻率的信號(hào)，一個(gè)溫度傳感器的信號(hào)用于補(bǔ)償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化，振動(dòng)周期的測量是通過測量流量管的振動(dòng)周期和溫度獲得，介質(zhì)密度的測量利用了密度與流量管振動(dòng)周期的線性關(guān)系及標(biāo)準(zhǔn)的校定常數(shù)。

科氏質(zhì)量流量傳感器振動(dòng)管測量密度時(shí)，管道鋼性、幾何結(jié)構(gòu)和流過流體質(zhì)量共同決定了管道裝置的固有頻率，因而由測量的管道頻率可推出流體密度。變送器用一個(gè)高頻時(shí)鐘來測量振動(dòng)周期的時(shí)間，測量值經(jīng)數(shù)字濾波，對(duì)于由操作溫度導(dǎo)致管道鋼性變化，進(jìn)而引起固有頻率的變化進(jìn)行補(bǔ)償后，用傳感器密度標(biāo)定系數(shù)來計(jì)算過程流體密度。

羅斯蒙特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精確度的質(zhì)量流量、密度、溫度和體積流量信號(hào)，并將獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬量、頻率等輸出信號(hào)，還可使用275型HART協(xié)議通信手操器或AMS、Prolink軟件對(duì)其組態(tài)、檢查及通信。

五、DSP數(shù)字信號(hào)處理器特性

DSP數(shù)字信號(hào)處理器是一個(gè)實(shí)時(shí)處理信號(hào)的微處理器，在科里奧利流量計(jì)里，我們使測量管在一個(gè)已知的頻率下振動(dòng)，因此任何在此振動(dòng)頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準(zhǔn)確地確定質(zhì)量流量。例如，一個(gè)50Hz或60Hz的信號(hào)很可能來源于與附近動(dòng)力線的耦合。如何在實(shí)際上“過濾”這些多余的信號(hào)則需要一些更多的在那時(shí)刻所得到的背景信息，圖8表明了噪聲如何出現(xiàn)在原轉(zhuǎn)換器信號(hào)上，以及被過濾后的最終信號(hào)。

與使用時(shí)間常量去阻抑和穩(wěn)定信號(hào)相比，使用數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)的主要好處之一，是能夠以一個(gè)被提高了的采樣率去過濾實(shí)時(shí)信號(hào)，減少了流量計(jì)對(duì)流量的階躍變化的響應(yīng)時(shí)間。使用多參數(shù)數(shù)字（MVD）變送器的響應(yīng)時(shí)間比使用模擬信號(hào)處理的傳統(tǒng)變送器快2~4倍，更快的響應(yīng)時(shí)間會(huì)提高短批量控制的效率和精確度。

DSP技術(shù)另一個(gè)頗有價(jià)值且更富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用實(shí)例是氣體測量，因?yàn)楦咚贇怏w通過流量計(jì)會(huì)引起較嚴(yán)重的噪聲。通過高準(zhǔn)Elite系列傳感器，與流量信號(hào)混雜的噪聲被減至最校現(xiàn)在DSP技術(shù)能更好地濾波，并進(jìn)一步減小了質(zhì)量流量計(jì)對(duì)噪聲的敏感度。采用MVD變送器測量氣體的結(jié)果在重復(fù)性和精確度上都有了顯著提高。

DSP技術(shù)提供了一個(gè)“通往處理的窗戶米”，當(dāng)瀏覽這個(gè)窗戶時(shí)，首先集中在測量管振動(dòng)頻率附近的信號(hào)上。實(shí)際上，有意地拋棄了其余的信息，很可能正是隱藏在這些“無用的”數(shù)據(jù)里的信息會(huì)鋪平通往新的診斷技術(shù)的道路。例如，頻譜分析可能會(huì)引導(dǎo)我們?nèi)〉迷趭A雜空氣或團(tuán)狀流動(dòng)流體測量上的進(jìn)展，流體在測量管內(nèi)壁的附著也是另一個(gè)有希望被DSP技術(shù)檢測到的故障，頻譜的變化也很可能被用于預(yù)測傳感器的故障。

1)不能用于測量密度太低的流體介質(zhì)，如低壓氣體;液體 中含氣量超過某一值時(shí)會(huì)顯著地影響測量值，到目前為止還沒有 用CMF成功地測量氣液二相流的實(shí)際例子。

2)對(duì)外界振動(dòng)千擾較敏感，為防止管道振動(dòng)的影響，大多 數(shù)CMF的流量傳感器對(duì)安裝固定有較高要求。

3)不能用于大管徑流量測量，目前還局限于DN I SO - DN200mm以下

4)測量管內(nèi)壁磨損腐蝕或沉積結(jié)垢會(huì)影響測量精度，尤其 對(duì)薄壁測量管的CMF更為顯著。

5)大部分型號(hào)的CMF有較大的體積和重量。壓力損失也 較大。

6)價(jià)格昂貴，約為同n-徑電磁流量計(jì)的2一5倍或更高。 10.1.3科里奧利質(zhì)且流f計(jì)的應(yīng)用 盡管CMF有許多極為可貴的優(yōu)點(diǎn)，從側(cè)量原理上看也己比 較完善，但由于這種流量計(jì)真正得到商用化的時(shí)間較短，在應(yīng)用 中目前還存在一些問題和不足之處。近年來，雖然有些問題經(jīng)各制造廠家的不斷努力，已獲得一定程度的解決，但還有許多問題 月前還沒法從根本上解決，甚至人們對(duì)有些問題的認(rèn)識(shí)還不夠。

歸納起來有以下幾個(gè)方面。

I.零位漂移問題

零位漂移也稱零點(diǎn)穩(wěn)定性，CMF的零點(diǎn)穩(wěn)定性始終是一個(gè) 人們非常關(guān)注的問題，現(xiàn)在還很難從理論上分析產(chǎn)生零位漂移的 真正原因。從工作原理上看，CMF的特性似乎井不受流體特性、 流黃計(jì)結(jié)構(gòu)和安裝方式等的影響，但是，大量的應(yīng)用實(shí)踐表明事 實(shí)并非如此。分析其原因.主要是由于在工作原理的理論模型中 有微小振幅近似和無衰減近似。機(jī)械振動(dòng)的非對(duì)稱性和襄減可能 是導(dǎo)致儀表零漂的兩個(gè)根本原因。 在CMF的應(yīng)用實(shí)踐中，邊界條件的非對(duì)稱性是客觀存在的，如檢測管兩端的固定方式、振動(dòng)管的剛度、雙管自振頻率的差異、材料的內(nèi)衰減等等。實(shí)踐證明，流體介質(zhì)的密度和枯度變化也影響儀表的零位.這可能是由于結(jié)構(gòu)的不平衡造成的，密度變化導(dǎo)致整個(gè)測量系統(tǒng)的自振頻率變化也是其中的原因之一。

綜上所述，盡管CMF的生產(chǎn)廠家在制造和調(diào)試工藝方面對(duì)抑制零漂采取了許多措施，但CMF的零漂或多或少依然存在。 設(shè)計(jì)合理、精心制作和調(diào)校的質(zhì)量流量什可以最大限度地減小零漂，如果設(shè)計(jì)上存在問題，結(jié)構(gòu)不夠合理，則零漂的影響就會(huì)變得不能容忍。 由于零漂是一個(gè)固定值，在流量下限，零漂的影響就會(huì)變得很大。例如，某UN25的雙Sl型CMF，其零點(diǎn)不穩(wěn)定性為 1lkg八，最小量程的上限流量為0.8t/h，此時(shí)由于零漂引人的 誤差為±0.125%。按范圍度等于10計(jì)算，下限流量時(shí)將引人 } 1.25%的誤差。而某DN25的雙v型質(zhì)量流量計(jì)，其零點(diǎn)不穩(wěn)定性為1 0.05kg/min,最小量程的上限流量為23kg/min，此時(shí)由于零漂引人的誤差為10.22%如果按范圍度等于10計(jì)算，下限流量時(shí)將引人1 2.2%的誤差。設(shè)計(jì)不良的CMF零漂更為不可容忍。

經(jīng)過人們的不斷努力，某些設(shè)計(jì)精良的CMF，已能將零漂抑制到一個(gè)很小的水平，相比之下，國內(nèi)的同型產(chǎn)品還存在一定差距。需要指出的是，零漂來源于流量計(jì)的傳感器部分，跟傳感器的制造、安裝和使用都有關(guān)系，而轉(zhuǎn)換器和顯示器等的零漂， 由于電子技術(shù)的發(fā)展，己經(jīng)變得容易處理和消除，這一點(diǎn)應(yīng)引起流量計(jì)使用部門的重視。?