一 概述

科里奧利質(zhì)量流量計(簡稱CMF)是依靠流動流體和測量管振動這兩者之間相互作用的原理，用以測量質(zhì)量流量的一種儀表。密度測量也可以從測量管的振動中被推導(dǎo)出來；還附有溫度測量。一套科里奧利質(zhì)量流量計由流量傳感器(一次裝置)和轉(zhuǎn)換器(二次裝置)組成。

科里奧利質(zhì)量流量計的優(yōu)點如下。

①直接測質(zhì)量流量。在計量測試領(lǐng)域中，質(zhì)量同長度和時間一樣，都是基準(zhǔn)量，而不是導(dǎo)出量。在過程檢測和控制中，用質(zhì)量流量來表示物質(zhì)的量是最理想、最準(zhǔn)確的。在化學(xué)反應(yīng)和其他生產(chǎn)過程中，物質(zhì)的反應(yīng)和處理幾乎都是以質(zhì)量為基礎(chǔ)進(jìn)行的；在流體產(chǎn)品或半成品的貿(mào)易交接和經(jīng)濟核算中，大部分是以質(zhì)量為基準(zhǔn)的；在很多過程中，如某些價格昂貴的添加劑，要求高精確度的質(zhì)量檢測和控制，不僅涉及生產(chǎn)成本的計算，并且直接關(guān)系到產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣。

為了解決質(zhì)量流量的測量，數(shù)十年來人們嘗試了各種方法，如稱重法、推導(dǎo)法，采用各種直接測取質(zhì)量流量的裝置等，但均不理想。自1978年美國James E. Smith推出商品化的CMF以來，使得工業(yè)上質(zhì)量流量測量技術(shù)出現(xiàn)了一個全新的局面。CMF直接測量質(zhì)量流量，其結(jié)構(gòu)緊湊，基本不受溫度、壓力、黏度等影響(有的經(jīng)補償而保持很高的準(zhǔn)確度)。

②應(yīng)用范圍廣。CMF可用于一般流量儀表較難測量的工業(yè)介質(zhì)，無論是導(dǎo)電或非導(dǎo)電液體均可測量，如非牛頓流體、各種漿液、懸浮液、液化氣等，其廣泛用于石油、石油化工、化學(xué)、食品、造紙、制藥、橡膠等行業(yè)。

③無可動部件及任何接觸式探測元件。測量管本身的振動極微，不會造成對流體的干擾，以及這種干擾對于流量傳感器帶來的影響。可用于高黏稠流體及液——固兩相測量。

④精確度高。在一定范圍內(nèi)精確度可這±0.15% ~±0.3%左右；范圍度為(20:1)~(lOO:1)。

⑤安裝要求不高。不受上游管內(nèi)流速分布的影響，一般對上、下游直管段沒有什么要求，對安裝空間的適應(yīng)性強。但對有些傳感器，兩端需加防振支撐，并避免兩臺CMF安裝過近。

⑥多功能。同一臺CMF可測質(zhì)量流量、密度、溫度、雙組分流濃度、體積流量等。

⑦適合雙向流測量。

⑧ 較低的維修率。

科里奧利質(zhì)量流量計缺點如下。

①初購置費較高。但由于它直接測質(zhì)量流量、精確度高、使用簡便、可靠性好，使它總費用(包括儀表費用、泵送費用、維修費用、測量誤差造成的損失費用等)并不過高，總體來說是經(jīng)濟的。

②有的產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)關(guān)系，壓力損失較大。

③彈性常數(shù)對溫度影響靈敏，溫度補償措施有可能不盡完善。

④用于漿液測量時，有可能造成測量管堵塞，要注意清洗措施的可靠。

⑤只能用于壓力較高的氣體。

CMF作為流量測量領(lǐng)域中的一種新技術(shù)，一種直接測量質(zhì)量流量的高精確度儀表，已逐步為用戶所接受，21世紀(jì)初有人估計，世界上安裝使用的CMF己有50萬臺。近年開發(fā)出適度降低性能的、價格較低的儀表，以及對應(yīng)用過程中的各影響因素改善， CMF必將進(jìn)一步為廣大用戶所接受，得到更加廣泛的應(yīng)用。

目前國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有上海科隆光華儀器有限公司、上海羅斯蒙特公司、太原航空儀表公司流量儀表廠等。

二 基本原理

當(dāng)一個位于一旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的質(zhì)點作朝向或遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的運動時，將產(chǎn)生一慣性力，原理如圖5.1所示。當(dāng)質(zhì)量為δm的質(zhì)點以勻速v圍繞一個固定點P并以角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動時，這個質(zhì)點將獲得兩個加速度分量；

①法向加速度ar (向心加速度)，其量值等于ω2r，方向朝向P點；

②切向加速度at(科里奧利加速度)，其量值等于2ωv，方向與ar垂直。

根據(jù)牛頓第二運動定律(力=質(zhì)量×加速度)，產(chǎn)生科里奧利加速度at，必定在at的方向上施加一個相應(yīng)的力，其大小等于2ωvδm，這個力來自向上轉(zhuǎn)動的管道。反向作用于管道上的力就是科里奧利力Fc=2ωvδm (簡稱科氏力)。從圖5.1中可見，當(dāng)密度為ρ的流體以恒定速度v向前流動時，任何一段長度為 Δx的管道都將受到一個大小為 ΔFc的切向科氏力。

對于特定的旋轉(zhuǎn)管道，其頻率特性是一定的，ΔFc僅取決于δqm。因此，直接或間接測得在旋轉(zhuǎn)的管道中流動的流體所施加的科氏力就可以測得質(zhì)量流量。這就是CMF的基本原理。

對商品化CMF設(shè)計，通過旋轉(zhuǎn)運動產(chǎn)生慣性力是不切合實際的，而代之以使管道振動產(chǎn)生所需的力。當(dāng)充滿流體的管道以等于或接近其自然頻率振動時，維持管道流動所需的驅(qū)動力是最小的。在多數(shù)CMF中，流體管道的兩側(cè)被固定，并在兩個固定點的中間位置上振動，這就使管道的兩個半段以相反的方向振動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)無流量時，在檢測點相對位移的相位是相同的；當(dāng)有流動時，科氏力所產(chǎn)生的附加的扭曲振動使得在檢測點的相對運動有一個很小的相位差，這一相位差同質(zhì)量流量成正比

三 流量傳感器原理

以U形測量管為例，如圖5.2所示，在外力的驅(qū)動下，U形測量管繞O-O軸按其自然頻率ω振動。當(dāng)流體以勻速流過U形管時，根據(jù)質(zhì)點動力學(xué)原理，在U形管向上運動時，入口一側(cè)產(chǎn)生向上的科氏加速度，相應(yīng)的科氏力F1向下作用在管壁上；出口一側(cè)產(chǎn)生向下的科氏加速度，相應(yīng)的科氏力F2向上作用在管壁上。Fl與F2大小相等，方向相反(F1=F2 =Fc)。

Fc=2mω × v (5.2)

此處， Fc、ω和v是矢量， "×"是矢量相乘。當(dāng)U形管沿0-0軸轉(zhuǎn)動時，科氏力繞R-R軸產(chǎn)生力矩M，轉(zhuǎn)動力臂為r，于是

M=F1rl+F2r2 (5.3)

因F1=F2， r1=r2,由式(5.2)和式(5.3)得

M=2Fcr=4mvωr (5. 4)

質(zhì)量流量qm取決于每單位時間內(nèi)通過給定點的質(zhì)量m。 qm =m/t， v=L/t，經(jīng)代換得 qm =mv/L，此處L是管子的長度，于是式(5.4)變成

M=4ωrqL (5.5)

力矩M引起U形管扭曲，扭曲角θ為測量管繞軸R-R的夾角。由于M引起的扭曲受測量管的彈性剛度Ks的制約，扭矩

T=Ksθ (5.6)

因T=M，質(zhì)量流量qm同偏轉(zhuǎn)角θ之間的關(guān)系可通過整理式(5.5)、式(5. 6)得

(5. 7)

即 qm=k1θ (5.8)

式中， K1 =Ks/4ωrL=常數(shù)。

扭轉(zhuǎn)角θ是時間t的函數(shù)，U形管每根支管通過中心點，由兩側(cè)的兩個位置檢測器測取。當(dāng)沒有流量時，右面和左面的支管在向上和向下越過中心線的時差為零；而流量增大時，θ角增大，上升和下降開關(guān)信號之間的時間差Δt也增大。設(shè)管子通過中心線的速度為vt，則

當(dāng)θ角很小時，它近似等于sineθ，即θ= sine，且此時有 T為周期，所以vt，=ωL，于是式(5. 9)變?yōu)?/p>

即

式中， K2=ωL/2r=常數(shù)。綜合式(5.7)、式(5.10)在

即

對特定的流量傳感器來說， =常數(shù)。可見，質(zhì)量流量僅與時間間隔 Δt和幾何常數(shù)有關(guān)，與U形管驅(qū)動轉(zhuǎn)速ω無關(guān)，亦即與測量管的振動頻率無關(guān)。U形測量管受力變形和振動扭曲如圖5.3、圖5.4所示。

總之，單位時間流經(jīng)測量管的流體質(zhì)量越多，則測量管扭轉(zhuǎn)角θ越大(qm=K1θ)，而θ角越大，則左右兩管通過中心點的時差Δt亦越大(θ=K2Δt)，從而流量qm與時差Δt成正比(qm =K3Δt)。這樣，通過傳感器的設(shè)計，把對科里奧利力的測量轉(zhuǎn)變成對振動管兩側(cè)時差的測量，這就是流量傳感器的工作原理。

四 信號檢測原理

用于檢測偏轉(zhuǎn)角的電磁位置檢測器設(shè)置在測量管行程的中點。此處管子速度最大，且可得到對稱的最大的偏轉(zhuǎn)角，而加速度近似為0。管子分別向下和向上運動，形成兩種時間間隔，結(jié)合起來產(chǎn)生一組信號。

圖5.5和圖5.6所示分別為通過邏輯電路處理過的無流量時和有流量時的波形圖。從傳感器管的端部看過去，有左、右兩根支管，流量分別從其中流入和流出，電磁位置檢測器檢測其矩形頻率波。左、右信號交替產(chǎn)生，右面檢測器信號采用寬波形(R)，而左面的信號采用窄波形，這樣就避免了信號的重疊。

由于脈寬的差異，當(dāng)管子上升過程中通過中心點時，右面的檢測器信號總是先于左面的發(fā)生。相反，當(dāng)管子在下降過程中通過中心點時，左面信號總是先于右面的被檢測出來。

差異波形D是右邊和左邊兩支管子在上升和下降過程中通過中心點的時差信號。這些脈沖被送至線性積分器，并且對上升的一對作負(fù)積分，對下降的一對作正積分。當(dāng)沒有流量通過時，這種差異脈寬(波形D)在兩個方向上是相等的(圖5.5)。當(dāng)有流量通過時，在上行時有一個反時針的扭曲，而在下行時有一個順時針扭曲，這引起兩支管子在上升過程中跨越中心點時間更接近，而在下降過程中跨越中心點時間拉長。這樣，差值脈寬(波形D)就不再相等(圖5.6)。

由于積分的斜率相等且恒定，在正常方向流動時產(chǎn)生一基本的正的脈沖輸出，它被送至一采樣和保持電路。積分輸出恰在參比電平恢復(fù)之前被采樣，在同期的其他時段內(nèi)處于保持狀態(tài)。這樣的信號是同時差Δt成線性比例關(guān)系，因而同質(zhì)量流量成正比。

經(jīng)處理的信號產(chǎn)生一個O~lOOO0Hz脈沖輸出，被送至頻率和(或者)模擬輸出電路板。頻率板將脈沖信號量化用以顯示、控制和積算。模擬板把脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓或電流信號輸出(O~20mA， 4~20mA或O~5V， 1~5V)。

在圖5.5和圖5.6中，R是來自右位置檢測器經(jīng)過初步處理的信號波形；L是來自左位置檢測器經(jīng)初步處理后的信號波形；D是R和L反相比較后的差波信號波形； I是線性積分后的波形 。

五 流量傳感器結(jié)構(gòu)

1、總體結(jié)構(gòu)

目前世界上有約20家公司先后推出原理相同、結(jié)構(gòu)各異的CMF?？趶阶钚?.5mm，最大150mm，測量范圍從最小0~27kg/h到最大~680t/h。不管哪種型號，流量傳感器結(jié)構(gòu)一般均包含如下幾個部分。

(1)測量管(振動管)是傳感器的敏感部件

(2)驅(qū)動裝置 產(chǎn)生電磁力，驅(qū)動測量管以接近諧振的頻率振動。

(3)位置檢測器 用于檢測測量管的扭曲變化。

(4)支撐結(jié)構(gòu) 如圖5.7中的橋架。

(5)溫度傳感器 用于檢測溫度、補 償測量管材料楊氏模量的溫度系數(shù)。

(6)殼體 對傳感器保護(hù)(有的產(chǎn)品有第二層保護(hù)外殼)。

另外，有加熱保溫型、防爆型、衛(wèi)生型等結(jié)構(gòu)。

2、測量管

測量管從結(jié)構(gòu)形狀來分，有彎管式和直管式兩大類。目前大多數(shù)產(chǎn)品為彎管式，其形狀有U形、運動跑道形、B形、S形、 Ω 形、雙梯形、螺旋形、 Δ形等。不管什么形狀，又有單管、雙管(雙環(huán))、多管(多環(huán))幾種。其中，大多數(shù)產(chǎn)品是采用兩根平行的管子，而多管(多環(huán))式，其用于測量的部分也是兩根管(環(huán))。從結(jié)構(gòu)上看，雙管結(jié)構(gòu)目前大多數(shù)采用并聯(lián)式，在入口處有分流器，把來自法蘭接口的流量對稱地分成兩部分流入兩根測量管，在出口處又有一個匯流器，將兩根管中流體重新匯集在一起通過出口法蘭送出。這樣的結(jié)構(gòu)要求分流器完全對稱，兩根支管也必須對稱，出廠前要嚴(yán)格調(diào)試好動態(tài)平衡。另一種是采用單管串聯(lián)雙環(huán)的型式，用于測量的支管看起來仍是兩根(雙環(huán))，由于它是用一根管子串聯(lián)組成的，入口和出口沒有分流器和匯流器，因分流而造成的不對稱的缺點得到了克服，圖5.7所示的CORIMASS MFS-1000就是單管串聯(lián)雙環(huán)結(jié)構(gòu)。大多數(shù)雙管并聯(lián)式產(chǎn)品在其精確度規(guī)定中有" ± 零點穩(wěn)定性"一項(數(shù)值有指標(biāo)控制)。而單管雙環(huán)式，因其零點穩(wěn)定性好，在精確度指標(biāo)中沒有"零點穩(wěn)定性"這一項。U形測量管的改進(jìn)型 Δ形測量管較U形靈敏度性能均有提高。單管直管型質(zhì)量流量計目前已具有一定的市場占有率，與傳統(tǒng)的雙管型結(jié)構(gòu)相比有很大的優(yōu)越性，如流通能力大、壓損更小、更易清洗等。單管直管形結(jié)構(gòu)在設(shè)計上要很好解決抗振性問題。Promass M型流量計(圖5.9）是該種類型產(chǎn)品之一。毫無疑問，單管直管型式是今后質(zhì)量流量計的發(fā)展趨勢和方向。圖5.10列舉了幾種典型的測量管的結(jié)構(gòu)形式。

從設(shè)計的角度分析，彎管與直管相比，彎管振動較容易，但頻率較低，一般80~100Hz;直管振動難，但頻率較高，有高達(dá)700~1100Hz。對避免外界機械振動干擾有利。管子尺寸加長，有利振動，科氏力和扭轉(zhuǎn)角增加，應(yīng)力減小，但這樣便增大了重量和壓力損失，因而形狀和尺寸要綜合考慮擇優(yōu)而定。管子壁厚涉及到靈敏度和耐壓強度，需合理計算，一般其最大工作壓力至少應(yīng)取破壞應(yīng)力的1/4。

3、驅(qū)動裝置

大多數(shù)采用電磁驅(qū)動器，所產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動測量管以接近諧振頻率的頻率振動。用于測量黏度或密度較高的介質(zhì)時，要考慮對驅(qū)動裝置增加輔助電源。多數(shù)流量傳感器采用兩管平行的結(jié)構(gòu)，那么驅(qū)動器的線圈固定在一根管子上(或相關(guān)聯(lián)的支架上)。而磁鐵則固定在另一根管子上(或相關(guān)聯(lián)的支架上)。有的傳感器，如雙梯形，采用雙驅(qū)動器，這是結(jié)構(gòu)形式所要求的 。

4、位置檢測器

位置檢測器多數(shù)采用電磁式的，把線圈固定在一根管子上，磁鐵固定在另一根管子上，一般以驅(qū)動器為中心，左右對稱各安裝一只，兩根支管的振動扭曲程度直接反映在位置檢測器中，信號送至轉(zhuǎn)換電路加以處理。還有一種光電式檢測器，在測量管兩端各有一對小平板焊在兩根測量管上，之間有一定間隙，間隙(快門)寬度依兩根測量管扭曲程度而變化，由發(fā)光二極管發(fā)射的紅外光線經(jīng)藍(lán)寶石傳導(dǎo)系統(tǒng)通過快門間隙在另一側(cè)被高靈敏度光敏二極管接收，并轉(zhuǎn)換成交流電信號。如圖5.11所示。

5、支撐結(jié)構(gòu)

CMF的測量管既是介質(zhì)流通管，又是敏感部件，支撐結(jié)構(gòu)很重要。測量管固定在支撐結(jié)構(gòu)上，作為振動系統(tǒng)的振動軸心，是系統(tǒng)振動特性的起始點。同時它又是隔離外來振動的一道重要屏障。在圖5.7~圖5.9所列舉的三種典型結(jié)構(gòu)中，D系列和m-Point的支撐均是剛性很好的不銹鋼圓筒，而MFS-1000則是一個不銹鋼橋架( bridg），此橋架看似笨重，實際上很好地抑制了外來振動的干擾。

6、溫度傳感器

一般以一個100Ω的鈾電阻溫度計PtlOO貼在振動管的某一部位上，檢測流體(同時也是測量管)的溫度，對溫度影響加以補償。

7、殼體

CMF的外殼，多用不銹鋼薄板全焊接密封結(jié)構(gòu)，有的內(nèi)部充以50kPa的氮氣，起保護(hù)作用。防護(hù)等級一般為IP67，因此傳感器在現(xiàn)場是可靠的。由于CMF的測量管采用薄壁管，靠不停息地振動的原理工作，因而其外殼不僅有保護(hù)作用，還必須有安全的考慮。為避免測量管萬一破裂時，有有毒或腐蝕性介質(zhì)外溢造成損害，對于安全型傳感器，在第一道密封殼外面再加一個"二次容器(控制)"作為安全外殼。其設(shè)計原則是：

①最大連續(xù)控制壓力 ≥ 最大過程壓力;

②10h內(nèi)最大控制壓力≥保險壓力;

③控制爆裂壓力≥工廠設(shè)計壓力。

8、材料選擇

對于溫零件，目前用316L不銹鋼、1Cr18Ni12Mo2Ti、哈氏合金C-22、Ni-Span(鎳鉻鈦鐵恒彈性系數(shù)合金)、鐵、鋯等，密封墊用氟橡膠。非浸潤零部件用304或316不銹鋼。測量管材料的選擇和尺寸設(shè)計，既要考慮有柔性，以便產(chǎn)生足夠的撓曲和相位變化，又要充分考慮金屬疲勞、應(yīng)力腐蝕、沖蝕損壞、耐壓強度等各種因素。要選擇和控制管子的振幅適當(dāng)。

作為接觸介質(zhì)的零部件，對大多數(shù)CMF傳感器來說是一種標(biāo)準(zhǔn)的選擇(用于氯化物和鹵素除外)。這種材料適應(yīng)于過程工業(yè)中大多數(shù)流體。鈦有較好的彈性、抗壓強度、熱膨脹系數(shù)和對很多腐蝕性流體的抗腐蝕能力，被直管形傳感器所選用。

對防腐蝕有特殊要求時，有的產(chǎn)品還可使用Teflon TFE作襯里或者使用Halar ECTFE涂層。

一種典型的25mm傳感器采用的是19mm內(nèi)徑的薄壁管，壁厚為1.65mm。

六 轉(zhuǎn)換電路特點

1、D系列轉(zhuǎn)換電路特點

轉(zhuǎn)換電路主要由驅(qū)動板、信號板、隔離板、頻率板和模擬板所組成。圖5.12所示為U形管式CMF轉(zhuǎn)換電路原理圖。

驅(qū)動板和信號板測量來自左面位置檢測器的信號，以調(diào)整驅(qū)動放大器，這樣來控制振幅，使測量管在其驅(qū)動下振動。此輸出信號連接到傳感器單元內(nèi)的驅(qū)動線圈來加強振動，按接近其諧振頻率的頻率振動。

來自左面和右面的位置檢測器的流量信號是由傳感器測量管運動而產(chǎn)生的。信號板通過對兩個位置檢測器的信號作時間積分來確定扭轉(zhuǎn)角，從而產(chǎn)生流量信號。這個信號實際上就是左、右兩邊的信號分別對一個負(fù)的和正的參比電平比較而產(chǎn)生的。兩個信號的時間積分是由信號倍加器和信號分離器來確定的。相位則是通過左面的位置檢測器來檢測?？偟牧髁啃盘柦?jīng)采樣、RC濾波和幅值放大后送至驅(qū)動板。流量信號送至驅(qū)動板的V/f轉(zhuǎn)換器，驅(qū)動板同時還利用來自溫度傳感器的信號對轉(zhuǎn)換標(biāo)定予以控制，從而補償了溫度對測量管的剛性系數(shù)的影響。流體流動方向決定了流量信號的極性。流量信號和補償信號被送入隔離板。隔離板上有兩個光學(xué)耦合器，分別接收流量信號和方向信號，相應(yīng)產(chǎn)生兩脈沖信號以符合下一級處理要求。這些耦合器有效地把輸出信號同儀表的其他電子部分隔離，防止電流信號由安全區(qū)進(jìn)入到危險區(qū)。另外，每個耦合器靠齊納二極管和熔斷絲來保護(hù)不受倒流脈沖(電涌)的影響。

送到頻率和(或者)模擬輸出板是O~ 10000Hz信號，與質(zhì)量流量成正比。 頻率板將信號量化(定標(biāo))后同外部設(shè)備連接。模擬板把頻率信號轉(zhuǎn)換成模擬信號送至外部設(shè)備。

2、MFS-IOOO系列轉(zhuǎn)換電路的特點

MFS-1000是具有數(shù)字信號處理功能 的轉(zhuǎn)換器，具有高容量的操作系統(tǒng)，并提供范圍寬、靈活多樣的軟件，最多數(shù)據(jù)可達(dá)16位。對輸入和輸出信號具有自檢查和自診斷功能。

來自傳感器的信號在輸入級轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量，并在每個周期內(nèi)密集采樣(如圖5.13所示)，輸送至第一個微處理器，把兩個檢測器(A、B)測得的時間差換算成為科氏力位移之差，從而給出與質(zhì)量流量成正比的信號。這種數(shù)字信號處理電路的特點如下。

①在每個測量周期內(nèi)密集采樣，減少了偶然干擾因素的影響。

②對于傳感器信號的基本頻率有一極狹的帶通濾波器，因而得以減少噪聲的影響，如圖5.14所示。

第二個微處理器實現(xiàn)溫度計算和頻率補償，它有一個實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)測量和編程同步?？山o出測量、試驗和錯誤三種不同狀態(tài)，并能自診斷。