科氏質(zhì)量流量計(jì)文獻(xiàn)綜述

1、科氏質(zhì)量流量計(jì)文獻(xiàn)綜述摘要本文介紹了科氏質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)及其最新發(fā)展，并討論了科氏質(zhì)量流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路以及信號(hào)處理方面的現(xiàn)狀和發(fā)展。關(guān)鍵字科氏質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路信號(hào)處理近十幾年來，人們對(duì)科氏質(zhì)量流量計(jì)的興趣在穩(wěn)步增加?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)在食品、飲料、化工、制藥、石油、天然氣等行業(yè)獲得了廣泛的應(yīng)用。隨著人們的關(guān)注，科氏質(zhì)量流量計(jì)的性能也在不斷地發(fā)展。其最大的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接地測(cè)量質(zhì)量流量，而其他的儀器只能測(cè)量體積流量?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)的高精度、寬量程、重復(fù)性也是其在工業(yè)領(lǐng)域中獲得廣泛地應(yīng)用和快速地發(fā)展的進(jìn)一步原因。下面結(jié)合圖1簡(jiǎn)要地說明科氏質(zhì)量流量計(jì)的工作原理。圖1(a)描述了傳輸

2、流體的直管的運(yùn)動(dòng)。直管在力Fe的作用下以一定的激勵(lì)頻率發(fā)生振蕩運(yùn)動(dòng)。S1和S2是兩個(gè)傳感器，用于獲得測(cè)量信號(hào)。如圖1(b)所示，當(dāng)管內(nèi)的液體開始流動(dòng)時(shí)，在科氏力Fc的作用下，直管也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)振蕩，且該振蕩和流過的質(zhì)量流量成正比。通過傳感器檢測(cè)管子的合成振動(dòng)就可以得到流體的質(zhì)量流量。圖2為典型的科氏質(zhì)量流量計(jì)的裝置。該裝置有兩只測(cè)量管、傳感器、激勵(lì)器組成。圖2中沒有展示的是科氏質(zhì)量流量計(jì)的另外兩個(gè)組成部分外殼和用于信圖2號(hào)處理、供電、輸入輸出控制的電子設(shè)施。一般商用的科氏質(zhì)量流量計(jì)采用磁鐵和線圈來提供驅(qū)動(dòng)力以產(chǎn)生振動(dòng)。其振幅很小，往往只有幾十毫米。為了減小外部干擾，系統(tǒng)使用兩根反向振動(dòng)的管子來平

3、衡，或者是在一根管子上加裝特殊的平衡系統(tǒng)。由于管子的振幅很小，所以測(cè)量裝置對(duì)外部干擾非常敏感。為了減少環(huán)境的影響和穩(wěn)定零點(diǎn)的健壯測(cè)量，測(cè)量系統(tǒng)必須有準(zhǔn)確的平衡。平衡系統(tǒng)越好則測(cè)量系統(tǒng)與環(huán)境干擾的解耦也越佳。如果沒有足夠的平衡系統(tǒng)，內(nèi)部的振動(dòng)可能會(huì)傳遞到環(huán)境中去，并導(dǎo)致測(cè)量的不穩(wěn)定。sensors科氏質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)在有各種各樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如雙管式的、單直管式的、單曲管式的、雙直管式的等等。一些設(shè)計(jì)主要考慮的是通過構(gòu)造特殊外形的結(jié)構(gòu)的管子來放大科氏效應(yīng)。這樣的設(shè)計(jì)的結(jié)果是出現(xiàn)了體積龐大的環(huán)狀管。由于外界干擾同時(shí)也被放大，其零點(diǎn)穩(wěn)定性較差。所以測(cè)量系統(tǒng)的信噪比并沒有因此提高。笈多（Gupta）在最近的

4、研究中指出，S型管子和L型管子能獲得最高的靈敏度1,雙管式科氏質(zhì)量流量計(jì)采用結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩根管子。兩根管子彎成U型，流體平均地流入兩平行的管子內(nèi)。兩個(gè)管在驅(qū)動(dòng)力的作用下反相振動(dòng)。為了減少能量損失，管子在諧振頻率下工作。兩根管子對(duì)稱設(shè)計(jì)，不受流體密度、速度、溫度以及壓力的影響。這樣的對(duì)稱設(shè)計(jì)可使測(cè)量系統(tǒng)和外部干擾實(shí)現(xiàn)良好的解耦。單管式的和雙管式的相比更緊湊，更易于清潔，并且流體的壓力損失也比雙管的要小。不過單管式的需要另外設(shè)置特殊的平衡系統(tǒng)，這也在無形中增加了其復(fù)雜度和成本?？偟膩碚f，單管式的有兩種設(shè)計(jì)。第一種設(shè)計(jì)是將管子彎成兩個(gè)圈，這和雙管式的非常類似，只不過其是串聯(lián)的而雙管式的是并聯(lián)的。這種彎

5、曲的設(shè)計(jì)帶來的好處是更寬的溫度范圍。但這種設(shè)計(jì)的缺陷是排水不易。另一種單管式的設(shè)計(jì)是直管式的。這種設(shè)計(jì)更易于清洗且能適應(yīng)各種流體密度3。在雙管式和單管式之間，還有一個(gè)折中的設(shè)計(jì)是雙直管式20其兩個(gè)管子的設(shè)計(jì)自然地提供了平衡而不需要額外添加平衡機(jī)構(gòu)，從而降低了成本也減輕了儀器的重量。和單直管類似，雙直管結(jié)構(gòu)緊湊且易于清洗。不過由于分流的影響，流體的壓力損失比較大。Drivingandsensingcomponentscanbemodeledasdiscretemasselements圖3雙直管式Fluidconveyingrubescanbemodeledasmass,stiffness,and

6、dampingmatricescanbemodeledasconventionalshellelements科氏質(zhì)量流量計(jì)的驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生特定驅(qū)動(dòng)脈沖讓管子以一定的幅度振動(dòng)。當(dāng)流體的性質(zhì)發(fā)生改變時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路必須能快速響應(yīng)。比如當(dāng)流體中混入氣泡時(shí)，阻尼會(huì)迅速增加，這要求系統(tǒng)迅速提供更多的激勵(lì)能量，以保證振蕩幅度平穩(wěn)。激勵(lì)頻率要和系統(tǒng)的諧振頻率一致，這要求驅(qū)動(dòng)電路不僅能控制振蕩幅度，還要能控制振蕩頻率?？剖腺|(zhì)量流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能在一些應(yīng)用如快速控制操作、周期流量波動(dòng)、快速批灌是十分重要的因素4o傳感器獲得的是微弱的正弦信號(hào)，其在進(jìn)一步的信息處理前需要進(jìn)行放大。所用到的放大器要有很大的帶寬以減小額外

7、的零點(diǎn)誤差。在科氏質(zhì)量流量計(jì)的相位差測(cè)量中。幅值比測(cè)量法和時(shí)間差的直接測(cè)量法，主要是依靠模擬電路來實(shí)現(xiàn)，可稱為模擬式的。模擬電路的穩(wěn)定性較差。易受環(huán)境溫度等因素的影響，最終影響到其計(jì)量精度。采用傅里葉變換算法，輔以鎖相環(huán)技術(shù)，使用雙通道高速高精度的A/D芯片對(duì)兩路傳感器信號(hào)同步采樣后.以數(shù)字信號(hào)處理器DSP為運(yùn)算核心，實(shí)時(shí)精確地計(jì)算出兩路信號(hào)的相位差和頻率，從而得到流體的質(zhì)量流量和密度等信息，實(shí)現(xiàn)了從模擬式到數(shù)字式的轉(zhuǎn)變。與傳統(tǒng)的模擬式的相比.減少了模擬電路對(duì)相位差測(cè)量的影響。采用傅里葉算法把信號(hào)從時(shí)域變換到頻域進(jìn)行頻譜分析，可以對(duì)信號(hào)更加準(zhǔn)確、有效、快速地分析與處理，有效地抑制了高次諧波和噪

8、聲的干擾，提高了相位差和頻率的測(cè)量精度，進(jìn)而提高了科氏質(zhì)量流量計(jì)的計(jì)量精度5。參考文獻(xiàn)1 GuptaP,SrinivasanK,PrabhuSV.TestsonvariousconfigurationofCoriolismassflowmeters.Measurement2006;39:296T07.2 TaoWangandYousifHussain,Latestresearchanddevelopmentoftwin-straighttubeCoriolismassflowmeters,SensorReview,2007Volume27Issue13 TaoWang,RogerC.Baker,AnAdvancedNumericalModelforSingleStraightTubeCoriolisFlowmeters,J.Fluids,2006,vol1284 ClarkC,CheesewrightR,WangS,HenryM,ZamoraM,TombsM