科里奧利質(zhì)量流量計(jì)信號(hào)的處理策略

王可嘉

摘要：科里奧利質(zhì)量流量計(jì)具有兩大優(yōu)勢：直接測量質(zhì)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(shù)掌握在少數(shù)幾家大公司內(nèi)，因而其價(jià)格一直居高不下。此外在國外科里奧利質(zhì)量流量計(jì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能都相當(dāng)好的情況下，國內(nèi)只有少數(shù)幾家廠家能生產(chǎn)而且質(zhì)量性能都大打折扣。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)也發(fā)現(xiàn)國內(nèi)針對(duì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的研究仍然多半停留在仿真分析階段。本文圍繞質(zhì)量流量計(jì)信號(hào)的有效控制和處理改進(jìn)，淺談一些看法和建議。

關(guān)鍵詞：科里奧利質(zhì)量流量計(jì);信號(hào);平臺(tái)設(shè)計(jì)

一、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)概述

科里奧利質(zhì)量流量計(jì)是利用科里奧利力原理，在旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，流體沿直線運(yùn)動(dòng)，與質(zhì)量流量成正比而制成的直接質(zhì)量流量計(jì)。CMF在我國的應(yīng)用起步較晚。從20世紀(jì)80年代中期開始，隨著成套設(shè)備引進(jìn)和進(jìn)口儀器的少量開始，到一定數(shù)量的單臺(tái)進(jìn)口需要進(jìn)行技術(shù)改造，科里奧利質(zhì)量流量計(jì)廣泛應(yīng)用于石油化工、糧食、冶金等行業(yè)。該領(lǐng)域是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的流量測量儀器之一。

二、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)原理和結(jié)構(gòu)

質(zhì)量流量測量系統(tǒng)包括用于信號(hào)處理的傳感器和發(fā)射器?？评飱W利質(zhì)量流量計(jì)基于牛頓第二定律：力一質(zhì)量X加速度（F=ma），如圖1所示。當(dāng)質(zhì)量m質(zhì)點(diǎn)速度VP軸的旋轉(zhuǎn)角速度ω，粒子移動(dòng)。受兩個(gè)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(duì)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(fù)合運(yùn)動(dòng)，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(dāng)密度為ρ流體旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度V流動(dòng)時(shí)，任何一段長度△x管道將受到一個(gè)切向科里奧利力△Fc：

△Fc=2ωVpA△x

式中A—管道流通截面積。

存在關(guān)系式：mq=ρVA

則：△Fc=2ωqm△x

因此，質(zhì)量流量可以通過直接或間接測量流體在旋轉(zhuǎn)管內(nèi)流動(dòng)的科里奧利力來測量。然而，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)難以產(chǎn)生科里奧利力。目前，產(chǎn)品取代了管道振動(dòng)，即測量薄壁管固定兩端，在測量管共振的中點(diǎn)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(dòng)產(chǎn)生科里奧利力，導(dǎo)致相反的方向偏轉(zhuǎn)的前后半分的測量管，和光學(xué)或電磁方法探測偏轉(zhuǎn)。得到質(zhì)量流量，由于流體的密度影響測量管的振動(dòng)頻率，且密度與頻率有固定的關(guān)系，因此CMF也可以測量流體的密度。

三、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)常見問題及解決

（一）安裝應(yīng)力產(chǎn)生零飄現(xiàn)象

如上，在檢定之前需要預(yù)熱，當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢定的數(shù)據(jù)與第一點(diǎn)數(shù)據(jù)存在較大偏差時(shí)，意味著該錯(cuò)誤會(huì)持續(xù)下去，即在后續(xù)較短的時(shí)間內(nèi)誤差逐漸被加大。所以，正常流程就是先檢查流量計(jì)報(bào)警信息，這一點(diǎn)在上述已經(jīng)提及。報(bào)警系統(tǒng)會(huì)將流量計(jì)的運(yùn)行狀況直觀反映出來。在檢查流量計(jì)零點(diǎn)過程中，一旦發(fā)現(xiàn)超出正常范圍，即可判斷本臺(tái)流量計(jì)的確存在零飄現(xiàn)象，可關(guān)閉流量計(jì)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(diào)整零位，仔細(xì)排查是否因硬件故障。比如振動(dòng)管在安裝過程中過度拉伸產(chǎn)生安裝應(yīng)力，解決方面，可選用加厚墊片的方式來重裝。

（二）密度測量錯(cuò)誤

密度測量錯(cuò)誤，嚴(yán)格意義上來講可歸納為測量誤差，主要的問題則體現(xiàn)在信號(hào)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(tái)流量計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)誤差超差，且系統(tǒng)伴有報(bào)警。此情形下最先需要檢查的就是儀表，先行發(fā)現(xiàn)測量的密度等數(shù)據(jù)有較大偏差。故此，在沒有完全確定錯(cuò)誤所在之前，一般需要對(duì)相關(guān)參數(shù)逐層排查。依照一般流程，先檢查處理器及接線柱，發(fā)現(xiàn)相關(guān)設(shè)定在合理范圍之內(nèi)后再檢查傳感器和變送器。比如像常見的短接、虛接等現(xiàn)象。進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)振動(dòng)管存有異物，再加上清洗不及時(shí)、溫度降低后造成振動(dòng)頻率失真

四、科里奧利質(zhì)量流量計(jì)信號(hào)測量系統(tǒng)構(gòu)成

（一）硬件構(gòu)成

在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行框架內(nèi)，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(duì)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(hào)處理電路的設(shè)計(jì)方面，則應(yīng)以信號(hào)傳輸功能為主，包括信號(hào)如何放大、濾波功能及電路相移等問題。最后就是對(duì)控制板的選擇，應(yīng)當(dāng)以微處理器為主。

（二）軟件實(shí)現(xiàn)

本文探究的主要是U形結(jié)構(gòu)的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)，在控制芯片的選用上需要與之相匹配。需要實(shí)現(xiàn)的功能就是對(duì)U形板雙臂的振動(dòng)信號(hào)采樣，最大限度確保軟件的開發(fā)環(huán)境與操作系統(tǒng)本身的吻合性、平穩(wěn)度。對(duì)于系統(tǒng)的整體控制和工作流程，首先是存儲(chǔ)采樣數(shù)據(jù)，依照設(shè)定的存儲(chǔ)表格來將相關(guān)數(shù)據(jù)定義。其次就是對(duì)各前沿參數(shù)的設(shè)定，包括系統(tǒng)時(shí)鐘初始化、主程序的設(shè)定、定時(shí)器0定時(shí)常數(shù)等。根據(jù)流程程序，來進(jìn)一步對(duì)各子系統(tǒng)銜入功能配置。比如，采樣模塊的設(shè)計(jì)以及信號(hào)數(shù)據(jù)的提取，服務(wù)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(jié)束語

科技的不斷發(fā)展加速工業(yè)產(chǎn)品的更新?lián)Q代，文章以科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的制造技術(shù)為探究點(diǎn)，簡要介紹了本產(chǎn)品在流體質(zhì)量流量及密度測量領(lǐng)域的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上，也提出了一些問題，主要局限于技術(shù)層面及其后續(xù)改造?？傊?，如何確保測量數(shù)據(jù)的真實(shí)準(zhǔn)確性，讓其成為工藝控制的強(qiáng)力保障，今后一段時(shí)期內(nèi)應(yīng)當(dāng)將側(cè)重點(diǎn)集中到儀表的調(diào)試與程序設(shè)置層面。

參考文獻(xiàn)：

[1]李葉.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)數(shù)字信號(hào)處理算法的研究與實(shí)現(xiàn)[D].合肥工業(yè)大學(xué)，2010.

[2]李葉，徐科軍，朱志海，朱永強(qiáng)，侯其立.面向時(shí)變的科里奧利質(zhì)量流量計(jì)信號(hào)的處理方法研究與實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表學(xué)報(bào)，2010，31（01）：8-14.