科氏力質量流量計

一台質量流量計的計量系統包括一台感測器和一台用於信號處理的變送器。Rosemount質量流量計依據牛頓第二定律：力=質量×加速度（F=ma），當質量為m的質點以速度V在對P軸作角速度ω旋轉的管道內移動時，質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，其量值等於2ωr，朝向P軸；

（2）切向角速度αt，即科里奧利加速度，其值等於2ωV，方向與αr垂直。由於複合運動，在質點的αt方向上作用著科里奧利力Fc=2ωVm，管道對質點作用著一個反向力-Fc=-2ωVm。

當密度為ρ的流體在旋轉管道中以恆定速度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。

由於存在關係式：mq=ρVA

所以：ΔFc =2ωqmΔx （2）

因此，直接或間接測量在旋轉管中流 動流體的科里奧利力就可以測得質量流量。

在沒有流體流經流量管時，流量管由安裝在流量管端部的電磁驅動線圈驅動，其振幅小於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，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，這一扭曲現象被稱之為科里奧利(Coriolis)現象，即科氏力。

根據牛頓第二定律，流量管扭曲量的大小完全與流經流量管的質量流量大小成正比，安裝於流量管兩側的電磁信號檢測器用於檢測流量管的振動。當沒有流體流過流量管時，流量管不產生扭曲，兩側電磁信號檢測器的檢測信號是同相位的；當有流體流經流量管時，流量管產生扭曲，從而導致兩個檢測信號產生相位差，這一相位差的大小直接正比於流經流量管的質量流量。

由於這種質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衝力產生了科氏力，致使每個流管產生扭轉，扭轉量與振動周期內流過流管的質量流速成正比。由於一個流管的扭曲滯後於另一流管的扭曲，質量管上的感測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經過數字量測量、處理、濾波以減少雜訊，提高測量解析度。時間差乘上流量標定係數來表示質量流量。由於溫度影響流管鋼性，科氏力產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整，後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感測器溫度，放大器的輸出電壓轉化成頻率，並由計數器數字化後讀入微處理器。

流量管的一端被固定，而另一端是自由的。這一結構可看做一重物懸掛在彈簧上構成的重物/彈簧系統，一旦被施以一運動，這一重物/彈簧系統將在它的諧振頻率上振動，這一諧振頻率與重物的質量有關。質量流量計的流量管是通過驅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構、材料及質量有關。振動管的質量由兩部分組成：振動管本身的質量和振動管中介質的質量。每一台感測器生產好后振動管本身的質量就確定了，振動管中介質的質量是介質密度與振動管體積的乘積，而振動管的體積對每種口徑的感測器來說是固定的，因此振動頻率直接與密度有相應的關係，那麼，對於確定結構和材料的感測器，介質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，一個溫度感測器的信號用於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，介質密度的測量利用了密度與流量管振動周期的線性關係及標準的校定常數。

科氏質量流量感測器振動管測量密度時，管道鋼性、幾何結構和流過流體質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，測量值經數字濾波，對於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，用感測器密度標定係數來計算過程流體密度。

羅斯蒙特公司的變送器為模塊化並帶有微處理器功能，配合ASICS數字技術，可選擇數字通信協議。它與感測器連接使用可獲得高精確度的質量流量、密度、溫度和體積流量信號，並將獲得的信號轉換為模擬量、頻率等輸出信號，還可使用275型HART協議通信手操器或AMS、Prolink軟體對其組態、檢查及通信。

DSP數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範圍之外的頻率都是“雜訊”，需要除掉它們以準確地確定質量流量。例如，一個50Hz或60Hz的信號很可能來源於與附近動力線的耦合。如何在實際上“過濾”這些多餘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表明了雜訊如何出現在原轉換器信號上，以及被過濾后的最終信號。

與使用時間常量去阻抑和穩定信號相比，使用數字信號處理（DSP）技術的主要好處之一，是能夠以一個被提高了的採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時間。使用多參數數字（MVD）變送器的響應時間比使用模擬信號處理的傳統變送器快2~4倍，更快的響應時間會提高短批量控制的效率和精確度。

DSP技術另一個頗有價值且更富有挑戰性的應用實例是氣體測量，因為高速氣體通過流量計會引起較嚴重的雜訊。通過高准Elite系列感測器，與流量信號混雜的雜訊被減至最校現在DSP技術能更好地濾波，並進一步減小了質量流量計對雜訊的敏感度。採用MVD變送器測量氣體的結果在重複性和精確度上都有了顯著提高。

DSP技術提供了一個“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，有意地拋棄了其餘的信息，很可能正是隱藏在這些“無用的”數據里的信息會鋪平通往新的診斷技術的道路。例如，頻譜分析可能會引導我們取得在夾雜空氣或團狀流動流體測量上的進展，流體在測量管內壁的附著也是另一個有希望被DSP技術檢測到的故障，頻譜的變化也很可能被用於預測感測器的故障。

1)不能用於測量密度太低的流體介質，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)對外界振動干擾較敏感，為防止管道振動的影響，大多 數CMF的流量感測器對安裝固定有較高要求。

3)不能用於大管徑流量測量，目前還局限於DN I SO - DN200mm以下

4)測量管內壁磨損腐蝕或沉積結垢會影響測量精度，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科里奧利質且流f計的應用 儘管CMF有許多極為可貴的優點，從側量原理上看也己比 較完善，但由於這種流量計真正得到商用化的時間較短，在應用 中目前還存在一些問題和不足之處。近年來，雖然有些問題經各製造廠家的不斷努力，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。

I.零位漂移問題

零位漂移也稱零點穩定性，CMF的零點穩定性始終是一個 人們非常關注的問題，現在還很難從理論上分析產生零位漂移的 真正原因。從工作原理上看，CMF的特性似乎並不受流體特性、流量計結構和安裝方式等的影響，但是，大量的應用實踐表明事 實並非如此。分析其原因。主要是由於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 是導致儀錶零漂的兩個根本原因。在CMF的應用實踐中，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、材料的內衰減等等。實踐證明，流體介質的密度和枯度變化也影響儀錶的零位。這可能是由於結構的不平衡造成的，密度變化導致整個測量系統的自振頻率變化也是其中的原因之一。

綜上所述，儘管CMF的生產廠家在製造和調試工藝方面對抑制零漂採取了許多措施，但CMF的零漂或多或少依然存在。設計合理、精心製作和調校的質量流量什可以最大限度地減小零漂，如果設計上存在問題，結構不夠合理，則零漂的影響就會變得不能容忍。由於零漂是一個固定值，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，其零點不穩定性為 1lkg八，最小量程的上限流量為0.8t/h，此時由於零漂引人的 誤差為±0.125%。按範圍度等於10計算，下限流量時將引人 } 1.25%的誤差。而某DN25的雙v型質量流量計，其零點不穩定性為1 0.05kg/min,最小量程的上限流量為23kg/min，此時由於零漂引人的誤差為10.22%如果按範圍度等於10計算，下限流量時將引人1 2.2%的誤差。設計不良的CMF零漂更為不可容忍。

經過人們的不斷努力，某些設計精良的CMF，已能將零漂抑制到一個很小的水平，相比之下，國內的同型產品還存在一定差距。需要指出的是，零漂來源於流量計的感測器部分，跟感測器的製造、安裝和使用都有關係，而轉換器和顯示器等的零漂，由於電子技術的發展，己經變得容易處理和消除，這一點應引起流量計使用部門的重視。