科里奥利质量流量计信号的处理策略

王可嘉

摘要：科里奥利质量流量计具有两大优势：直接测量质量流量;并行地测量流体密度。然而其高科技附加值高，核心技术掌握在少数几家大公司内，因而其价格一直居高不下。此外在国外科里奥利质量流量计产品质量和性能都相当好的情况下，国内只有少数几家厂家能生产而且质量性能都大打折扣。根据相关文献也发现国内针对科里奥利质量流量计的研究仍然多半停留在仿真分析阶段。本文围绕质量流量计信号的有效控制和处理改进，浅谈一些看法和建议。

关键词：科里奥利质量流量计;信号;平台设计

一、科里奥利质量流量计概述

科里奥利质量流量计是利用科里奥利力原理，在旋轉系统中，流体沿直线运动，与质量流量成正比而制成的直接质量流量计。CMF在我国的应用起步较晚。从20世纪80年代中期开始，随着成套设备引进和进口仪器的少量开始，到一定数量的单台进口需要进行技术改造，科里奥利质量流量计广泛应用于石油化工、粮食、冶金等行业。该领域是当今世界上最先进的流量测量仪器之一。

二、科里奥利质量流量计原理和结构

质量流量测量系统包括用于信号处理的传感器和发射器。科里奥利质量流量计基于牛顿第二定律：力一质量X加速度（F=ma），如图1所示。当质量m质点速度VP轴的旋转角速度ω，粒子移动。受两个分量加速度及其力的影响。

1）法向加速度，即向心加速度r，其大小等于2ωr，对P轴;

2）切向角速度，科里奥利加速度，其值等于2ωv，方向垂直于r。复合运动，科里奥利力Fc=2ωvm作用于粒子的方向，和管道作用于粒子的反向力Fc=-2ωvm。

当密度为ρ流体旋转管道中以恒定速度V流动时，任何一段长度△x管道将受到一个切向科里奥利力△Fc：

△Fc=2ωVpA△x

式中A—管道流通截面积。

存在关系式：mq=ρVA

则：△Fc=2ωqm△x

因此，质量流量可以通过直接或间接测量流体在旋转管内流动的科里奥利力来测量。然而，旋转运动难以产生科里奥利力。目前，产品取代了管道振动，即测量薄壁管固定两端，在测量管共振的中点或接近共振频率，或兴奋的更高的谐波频率，管中的流体流动产生科里奥利力，导致相反的方向偏转的前后半分的测量管，和光学或电磁方法探测偏转。得到质量流量，由于流体的密度影响测量管的振动频率，且密度与频率有固定的关系，因此CMF也可以测量流体的密度。

三、科里奥利质量流量计常见问题及解决

（一）安装应力产生零飘现象

如上，在检定之前需要预热，当发现检定的数据与第一点数据存在较大偏差时，意味着该错误会持续下去，即在后续较短的时间内误差逐渐被加大。所以，正常流程就是先检查流量计报警信息，这一点在上述已经提及。报警系统会将流量计的运行状况直观反映出来。在检查流量计零点过程中，一旦发现超出正常范围，即可判断本台流量计的确存在零飘现象，可关闭流量计一下游截止阀，保证流体充满管道流量为零并无泄露的情况下，调整零位，仔细排查是否因硬件故障。比如振动管在安装过程中过度拉伸产生安装应力，解决方面，可选用加厚垫片的方式来重装。

（二）密度测量错误

密度测量错误，严格意义上来讲可归纳为测量误差，主要的问题则体现在信号传输层面，即传感器、变送器等有影响。具体来看，假定在检测一台流量计过程中发现误差超差，且系统伴有报警。此情形下最先需要检查的就是仪表，先行发现测量的密度等数据有较大偏差。故此，在没有完全确定错误所在之前，一般需要对相关参数逐层排查。依照一般流程，先检查处理器及接线柱，发现相关设定在合理范围之内后再检查传感器和变送器。比如像常见的短接、虚接等现象。进一步检查发现振动管存有异物，再加上清洗不及时、温度降低后造成振动频率失真

四、科里奥利质量流量计信号测量系统构成

（一）硬件构成

在整个系统运行框架内，信息处理硬件主要围绕着位移传感器来开展，包括电路板和控制板。具体而言，对于位移传感器的选用要注重性能，比如可选用线性霍尔传感器A1305等之类。在信号处理电路的设计方面，则应以信号传输功能为主，包括信号如何放大、滤波功能及电路相移等问题。最后就是对控制板的选择，应当以微处理器为主。

（二）软件实现

本文探究的主要是U形结构的科里奥利质量流量计，在控制芯片的选用上需要与之相匹配。需要实现的功能就是对U形板双臂的振动信号采样，最大限度确保软件的开发环境与操作系统本身的吻合性、平稳度。对于系统的整体控制和工作流程，首先是存储采样数据，依照设定的存储表格来将相关数据定义。其次就是对各前沿参数的设定，包括系统时钟初始化、主程序的设定、定时器0定时常数等。根据流程程序，来进一步对各子系统衔入功能配置。比如，采样模块的设计以及信号数据的提取，服务程序的开启及中断，不同频率测量下的采样误差有效控制等。

五、结束语

科技的不断发展加速工业产品的更新换代，文章以科里奥利质量流量计的制造技术为探究点，简要介绍了本产品在流体质量流量及密度测量领域的优越性。在此基础上，也提出了一些问题，主要局限于技术层面及其后续改造。总之，如何确保测量数据的真实准确性，让其成为工艺控制的强力保障，今后一段时期内应当将侧重点集中到仪表的调试与程序设置层面。

参考文献：

[1]李叶.科里奥利质量流量计数字信号处理算法的研究与实现[D].合肥工业大学，2010.

[2]李叶，徐科军，朱志海，朱永强，侯其立.面向时变的科里奥利质量流量计信号的处理方法研究与实现[J].仪器仪表学报，2010，31（01）：8-14.