科氏质量流量计文献综述

科氏质量流量计文献综述
摘要本文介绍了科氏质量流量计的设计结构和性能特点及其最新发展，并讨论了科氏质量流量计的驱动电路以及信号处理方面的现状和发展。

关键字科氏质量流量计结构设计驱动电路信号处理
近十几年来，人们对科氏质量流量计的兴趣在稳步增加。

科氏质量流量计在食品、饮料、化工、制药、石油、天然气等行业获得了广泛的应用。

随着人们的关注，科氏质量流量计的性能也在不断地发展。

其最大的优点是能够直接地测量质量流量，而其他的仪器只能测量体积流量。

科氏质量流量计的高精度、宽量程、重复性也是其在工业领域中获得广泛地应用和快速地发展的进一步原因。

下面结合图1简要地说明科氏质量流量计的工作原理。

图1（a）描述了传输流体的直管的运动。

直管在力F E的作用下以一定的激励频率发生振荡运动。

S1和S2是两个传感器，用于获得测量信号。

如图1（b）所示，当管内的液体开始流动时，在科氏力F C的作用下，直管也会产生一个振荡，且该振荡和流过的质量流量成正比。

通过传感器检测管子的合成振动就可以得到流体的质量流量。

图1
图2为典型的科氏质量流量计的装置。

该装置有两只测量管、传感器、激励器组成。

图2中没有展示的是科氏质量流量计的另外两个组成部分外壳和用于信
号处理、供电、输入输出控制的电子设施。

一般商用的科氏质量流量计采用磁铁和线圈来提供驱动力以产生振动。

其振幅很小，往往只有几十毫米。

为了减小外部干扰，系统使用两根反向振动的管子来平衡，或者是在一根管子上加装特殊的平衡系统。

由于管子的振幅很小，所以测量装置对外部干扰非常敏感。

为了减少环境的影响和稳定零点的健壮测量，测量系统必须有准确的平衡。

平衡系统越好则测量系统与环境干扰的解耦也越佳。

如果没有足够的平衡系统，内部的振动可能会传递到环境中去，并导致测量的不稳定。

图2
科氏质量流量计现在有各种各样的结构设计，如双管式的、单直管式的、单曲管式的、双直管式的等等。

一些设计主要考虑的是通过构造特殊外形的结构的管子来放大科氏效应。

这样的设计的结果是出现了体积庞大的环状管。

由于外界干扰同时也被放大，其零点稳定性较差。

所以测量系统的信噪比并没有因此提高。

笈多（Gupta）在最近的研究中指出，S型管子和L型管子能获得最高的灵敏度[1]。

双管式科氏质量流量计采用结构对称的两根管子。

两根管子弯成U型，流体平均地流入两平行的管子内。

两个管在驱动力的作用下反相振动。

为了减少能量损失，管子在谐振频率下工作。

两根管子对称设计，不受流体密度、速度、温度以及压力的影响。

这样的对称设计可使测量系统和外部干扰实现良好的解耦。

单管式的和双管式的相比更紧凑，更易于清洁，并且流体的压力损失也比双管的要小。

不过单管式的需要另外设置特殊的平衡系统，这也在无形中增加了其复杂度和成本。

总的来说，单管式的有两种设计。

第一种设计是将管子弯成两个
圈，这和双管式的非常类似，只不过其是串联的而双管式的是并联的。

这种弯曲的设计带来的好处是更宽的温度范围。

但这种设计的缺陷是排水不易。

另一种单管式的设计是直管式的。

这种设计更易于清洗且能适应各种流体密度[3]。

在双管式和单管式之间，还有一个折中的设计是双直管式[2]。

其两个管子的设计自然地提供了平衡而不需要额外添加平衡机构，从而降低了成本也减轻了仪器的重量。

和单直管类似，双直管结构紧凑且易于清洗。

不过由于分流的影响，流体的压力损失比较大。

图3 双直管式
科氏质量流量计的驱动电路产生特定驱动脉冲让管子以一定的幅度振动。

当流体的性质发生改变时，驱动电路必须能快速响应。

比如当流体中混入气泡时，阻尼会迅速增加，这要求系统迅速提供更多的激励能量，以保证振荡幅度平稳。

激励频率要和系统的谐振频率一致，这要求驱动电路不仅能控制振荡幅度，还要能控制振荡频率。

科氏质量流量计的动态响应性能在一些应用如快速控制操作、周期流量波动、快速批灌是十分重要的因素[4]。

传感器获得的是微弱的正弦信号，其在进一步的信息处理前需要进行放大。

所用到的放大器要有很大的带宽以减小额外的零点误差。

在科氏质量流量计的相位差测量中。

幅值比测量法和时间差的直接测量法，主要是依靠模拟电路来实现，可称为模拟式的。

模拟电路的稳定性较差。

易受环境温度等因素的影响，最终影
响到其计量精度。

采用傅里叶变换算法，辅以锁相环技术，使用双通道高速高精
度的A／D芯片对两路传感器信号同步采样后．以数字信号处理器DSP为运算核
心，实时精确地计算出两路信号的相位差和频率，从而得到流体的质量流量和密
度等信息，实现了从模拟式到数字式的转变。

与传统的模拟式的相比．减少了模
拟电路对相位差测量的影响。

采用傅里叶算法把信号从时域变换到频域进行频谱
分析，可以对信号更加准确、有效、快速地分析与处理，有效地抑制了高次谐波
和噪声的干扰，提高了相位差和频率的测量精度，进而提高了科氏质量流量计的
计量精度[5]。

参考文献
[1]Gupta P, Srinivasan K, Prabhu SV. Tests on various configuration of Coriolis mass flowmeters. Measurement 2006;39:296–307.
[2]Tao Wang and Yousif Hussain, Latest research and development of twin-straight tube
Coriolis mass flowmeters, Sensor Review,2007 Volume27 Issue1
[3]Tao Wang, Roger C. Baker, An Advanced Numerical Model for Single Straight Tube
Coriolis Flowmeters, J.Fluids,2006,vol 128
[4] Clark C, Cheesewright R, Wang S, Henry M, Zamora M, Tombs M. A radically new dynamic
response capability for Coriolis flowmeters. Sensors Actuators A 2005;123–124:54–62.
[5]苏刚琴,马文生,刘艇.科氏质量流量计应用技术探讨.2007年09月18日。