科里奧利質量流量計信號的處理策略

王可嘉

摘要：科里奧利質量流量計具有兩大優勢：直接測量質量流量;并行地測量流體密度。然而其高科技附加值高，核心技術掌握在少數幾家大公司內，因而其價格一直居高不下。此外在國外科里奧利質量流量計產品質量和性能都相當好的情況下，國內只有少數幾家廠家能生產而且質量性能都大打折扣。根據相關文獻也發現國內針對科里奧利質量流量計的研究仍然多半停留在仿真分析階段。本文圍繞質量流量計信號的有效控制和處理改進，淺談一些看法和建議。

關鍵詞：科里奧利質量流量計;信號;平臺設計

一、科里奧利質量流量計概述

科里奧利質量流量計是利用科里奧利力原理，在旋轉系統中，流體沿直線運動，與質量流量成正比而制成的直接質量流量計。CMF在我國的應用起步較晚。從20世紀80年代中期開始，隨著成套設備引進和進口儀器的少量開始，到一定數量的單臺進口需要進行技術改造，科里奧利質量流量計廣泛應用于石油化工、糧食、冶金等行業。該領域是當今世界上最先進的流量測量儀器之一。

二、科里奧利質量流量計原理和結構

質量流量測量系統包括用于信號處理的傳感器和發射器。科里奧利質量流量計基于牛頓第二定律：力一質量X加速度（F=ma），如圖1所示。當質量m質點速度VP軸的旋轉角速度ω，粒子移動。受兩個分量加速度及其力的影響。

1）法向加速度，即向心加速度r，其大小等于2ωr，對P軸;

2）切向角速度，科里奧利加速度，其值等于2ωv，方向垂直于r。復合運動，科里奧利力Fc=2ωvm作用于粒子的方向，和管道作用于粒子的反向力Fc=-2ωvm。

當密度為ρ流體旋轉管道中以恒定速度V流動時，任何一段長度△x管道將受到一個切向科里奧利力△Fc：

△Fc=2ωVpA△x

式中A—管道流通截面積。

存在關系式：mq=ρVA

則：△Fc=2ωqm△x

因此，質量流量可以通過直接或間接測量流體在旋轉管內流動的科里奧利力來測量。然而，旋轉運動難以產生科里奧利力。目前，產品取代了管道振動，即測量薄壁管固定兩端，在測量管共振的中點或接近共振頻率，或興奮的更高的諧波頻率，管中的流體流動產生科里奧利力，導致相反的方向偏轉的前后半分的測量管，和光學或電磁方法探測偏轉。得到質量流量，由于流體的密度影響測量管的振動頻率，且密度與頻率有固定的關系，因此CMF也可以測量流體的密度。

三、科里奧利質量流量計常見問題及解決

（一）安裝應力產生零飄現象

如上，在檢定之前需要預熱，當發現檢定的數據與第一點數據存在較大偏差時，意味著該錯誤會持續下去，即在后續較短的時間內誤差逐漸被加大。所以，正常流程就是先檢查流量計報警信息，這一點在上述已經提及。報警系統會將流量計的運行狀況直觀反映出來。在檢查流量計零點過程中，一旦發現超出正常范圍，即可判斷本臺流量計的確存在零飄現象，可關閉流量計一下游截止閥，保證流體充滿管道流量為零并無泄露的情況下，調整零位，仔細排查是否因硬件故障。比如振動管在安裝過程中過度拉伸產生安裝應力，解決方面，可選用加厚墊片的方式來重裝。

（二）密度測量錯誤

密度測量錯誤，嚴格意義上來講可歸納為測量誤差，主要的問題則體現在信號傳輸層面，即傳感器、變送器等有影響。具體來看，假定在檢測一臺流量計過程中發現誤差超差，且系統伴有報警。此情形下最先需要檢查的就是儀表，先行發現測量的密度等數據有較大偏差。故此，在沒有完全確定錯誤所在之前，一般需要對相關參數逐層排查。依照一般流程，先檢查處理器及接線柱，發現相關設定在合理范圍之內后再檢查傳感器和變送器。比如像常見的短接、虛接等現象。進一步檢查發現振動管存有異物，再加上清洗不及時、溫度降低后造成振動頻率失真

四、科里奧利質量流量計信號測量系統構成

（一）硬件構成

在整個系統運行框架內，信息處理硬件主要圍繞著位移傳感器來開展，包括電路板和控制板。具體而言，對于位移傳感器的選用要注重性能，比如可選用線性霍爾傳感器A1305等之類。在信號處理電路的設計方面，則應以信號傳輸功能為主，包括信號如何放大、濾波功能及電路相移等問題。最后就是對控制板的選擇，應當以微處理器為主。

（二）軟件實現

本文探究的主要是U形結構的科里奧利質量流量計，在控制芯片的選用上需要與之相匹配。需要實現的功能就是對U形板雙臂的振動信號采樣，最大限度確保軟件的開發環境與操作系統本身的吻合性、平穩度。對于系統的整體控制和工作流程，首先是存儲采樣數據，依照設定的存儲表格來將相關數據定義。其次就是對各前沿參數的設定，包括系統時鐘初始化、主程序的設定、定時器0定時常數等。根據流程程序，來進一步對各子系統銜入功能配置。比如，采樣模塊的設計以及信號數據的提取，服務程序的開啟及中斷，不同頻率測量下的采樣誤差有效控制等。

五、結束語

科技的不斷發展加速工業產品的更新換代，文章以科里奧利質量流量計的制造技術為探究點，簡要介紹了本產品在流體質量流量及密度測量領域的優越性。在此基礎上，也提出了一些問題，主要局限于技術層面及其后續改造。總之，如何確保測量數據的真實準確性，讓其成為工藝控制的強力保障，今后一段時期內應當將側重點集中到儀表的調試與程序設置層面。

參考文獻：

[1]李葉.科里奧利質量流量計數字信號處理算法的研究與實現[D].合肥工業大學，2010.

[2]李葉，徐科軍，朱志海，朱永強，侯其立.面向時變的科里奧利質量流量計信號的處理方法研究與實現[J].儀器儀表學報，2010，31（01）：8-14.