科里奧力流量計原理

一臺質(zhì)量流量計的計量系統(tǒng)包括一臺傳感器和一臺用于信號處理的變送器。Rosemount質(zhì)量流量計依據(jù)牛頓第二定律：力=質(zhì)量×加速度（F=ma），當質(zhì)量為m的質(zhì)點以速度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。由于復合運動，在質(zhì)點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對質(zhì)點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。

當密度為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：mq=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。

?又稱科氏力質(zhì)量流量計

科氏力質(zhì)量流量計是運用流體質(zhì)量流量對振動管振蕩的調(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，一般由傳感器和變送器組成。

在沒有流體流經(jīng)流量管時，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅(qū)動線圈驅(qū)動，其振幅小于1mm，頻率約為80Hz，流體流入流量管時被強制接受流量管的上下垂直運動。在流量管向上振動的半個周期內(nèi)，流體反抗管子向上運動而對流量管施加一個向下的力；反之，流出流量管的流體對流量管施加一個向上的力以反抗管子向下運動而使其垂直動量減少。這便導致流量管產(chǎn)生扭曲，在振動的另外半個周期，流量管向下振動，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)的電磁信號檢測器用于檢測流量管的振動。當沒有流體流過流量管時，流量管不產(chǎn)生扭曲，兩側(cè)電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的；當有流體流經(jīng)流量管時，流量管產(chǎn)生扭曲，從而導致兩個檢測信號產(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)量流量計主要依靠流量管的振動來進行流量測量，流量管的振動，以及流過管道的流體的沖力產(chǎn)生了科氏力，致使每個流管產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，扭轉(zhuǎn)量與振動周期內(nèi)流過流管的質(zhì)量流速成正比。由于一個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可通過電路比較，來確定扭曲量。

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，后者隨時檢測粘在流管外表上的鉑電阻溫度計輸出。變送器用一個三相的電阻溫度計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，并由計數(shù)器數(shù)字化后讀入微處理器。

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)，一旦被施以一運動，這一重物/彈簧系統(tǒng)將在它的諧振頻率上振動，這一諧振頻率與重物的質(zhì)量有關(guān)。質(zhì)量流量計的流量管是通過驅(qū)動線圈和反饋電路在它的諧振頻率上振動，振動管的諧振頻率與振動管的結(jié)構(gòu)、材料及質(zhì)量有關(guān)。振動管的質(zhì)量由兩部分組成：振動管本身的質(zhì)量和振動管中介質(zhì)的質(zhì)量。每一臺傳感器生產(chǎn)好后振動管本身的質(zhì)量就確定了，振動管中介質(zhì)的質(zhì)量是介質(zhì)密度與振動管體積的乘積，而振動管的體積對每種口徑的傳感器來說是固定的，因此振動頻率直接與密度有相應(yīng)的關(guān)系，那么，對于確定結(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信號檢測器可獲得代表諧振頻率的信號，一個溫度傳感器的信號用于補償溫度變化而引起的流量管鋼性的變化，振動周期的測量是通過測量流量管的振動周期和溫度獲得，介質(zhì)密度的測量利用了密度與流量管振動周期的線性關(guān)系及標準的校定常數(shù)。

科氏質(zhì)量流量傳感器振動管測量密度時，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。變送器用一個高頻時鐘來測量振動周期的時間，測量值經(jīng)數(shù)字濾波，對于由操作溫度導致管道鋼性變化，進而引起固有頻率的變化進行補償后，用傳感器密度標定系數(shù)來計算過程流體密度。

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，并將獲得的信號轉(zhuǎn)換為模擬量、頻率等輸出信號，還可使用275型HART協(xié)議通信手操器或AMS、Prolink軟件對其組態(tài)、檢查及通信。

五、DSP數(shù)字信號處理器特性

DSP數(shù)字信號處理器是一個實時處理信號的微處理器，在科里奧利流量計里，我們使測量管在一個已知的頻率下振動，因此任何在此振動頻率范圍之外的頻率都是“噪聲”，需要除掉它們以準確地確定質(zhì)量流量。例如，一個50Hz或60Hz的信號很可能來源于與附近動力線的耦合。如何在實際上“過濾”這些多余的信號則需要一些更多的在那時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)換器信號上，以及被過濾后的最終信號。

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

DSP技術(shù)另一個頗有價值且更富有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用實例是氣體測量，因為高速氣體通過流量計會引起較嚴重的噪聲。通過高準Elite系列傳感器，與流量信號混雜的噪聲被減至最?，F(xiàn)在DSP技術(shù)能更好地濾波，并進一步減小了質(zhì)量流量計對噪聲的敏感度。采用MVD變送器測量氣體的結(jié)果在重復性和精確度上都有了顯著提高。

DSP技術(shù)提供了一個“通往處理的窗戶米”，當瀏覽這個窗戶時，首先集中在測量管振動頻率附近的信號上。實際上，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)里的信息會鋪平通往新的診斷技術(shù)的道路。例如，頻譜分析可能會引導我們?nèi)〉迷趭A雜空氣或團狀流動流體測量上的進展，流體在測量管內(nèi)壁的附著也是另一個有希望被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會顯著地影響測量值，到目前為止還沒有 用CMF成功地測量氣液二相流的實際例子。

2)對外界振動千擾較敏感，為防止管道振動的影響，大多 數(shù)CMF的流量傳感器對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)垢會影響測量精度，尤其 對薄壁測量管的CMF更為顯著。

5)大部分型號的CMF有較大的體積和重量。壓力損失也 較大。

6)價格昂貴，約為同n-徑電磁流量計的2一5倍或更高。 10.1.3科里奧利質(zhì)且流f計的應(yīng)用 盡管CMF有許多極為可貴的優(yōu)點，從側(cè)量原理上看也己比 較完善，但由于這種流量計真正得到商用化的時間較短，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，甚至人們對有些問題的認識還不夠。

歸納起來有以下幾個方面。

I.零位漂移問題

零位漂移也稱零點穩(wěn)定性，CMF的零點穩(wěn)定性始終是一個 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、 流黃計結(jié)構(gòu)和安裝方式等的影響，但是，大量的應(yīng)用實踐表明事 實并非如此。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。機械振動的非對稱性和襄減可能 是導致儀表零漂的兩個根本原因。 在CMF的應(yīng)用實踐中，邊界條件的非對稱性是客觀存在的，如檢測管兩端的固定方式、振動管的剛度、雙管自振頻率的差異、材料的內(nèi)衰減等等。實踐證明，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，密度變化導致整個測量系統(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)計上存在問題，結(jié)構(gòu)不夠合理，則零漂的影響就會變得不能容忍。 由于零漂是一個固定值，在流量下限，零漂的影響就會變得很大。例如，某UN25的雙Sl型CMF，其零點不穩(wěn)定性為 1lkg八，最小量程的上限流量為0.8t/h，此時由于零漂引人的 誤差為±0.125%。按范圍度等于10計算，下限流量時將引人 } 1.25%的誤差。而某DN25的雙v型質(zhì)量流量計，其零點不穩(wěn)定性為1 0.05kg/min,最小量程的上限流量為23kg/min，此時由于零漂引人的誤差為10.22%如果按范圍度等于10計算，下限流量時將引人1 2.2%的誤差。設(shè)計不良的CMF零漂更為不可容忍。

經(jīng)過人們的不斷努力，某些設(shè)計精良的CMF，已能將零漂抑制到一個很小的水平，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，這一點應(yīng)引起流量計使用部門的重視。?