科氏质量流量计应用技术探讨

　　0　引言

　　CMF是一种直接测量质量流量的流量计。其基本原理是:当流体流过振动的管道时,产生一个正比于流体质量流量的科氏力,相应地在两个传感器之间会检测到一个相位差。该相位差与流体的质量流量成正比[1],同时可测量出传感器的振动频率。据此计算出流体的密度,并根据检测到的流体温度,对质量流率及密度进行校正,以补偿管道的刚性,根据质量流率及密度还可计算出体积流率。

　　由此可知,在CMF中,两个传感器信号之间的相位差测量是关键因素,其相位检测的精度直接决定CMF的计量精度。相位测量的方法很多,实际应用在CMF中的有幅值比测量法、时间差的直接测量法、傅里叶变换算法等。本文简要地从概念上介绍这几种方法。

　　1　幅值比测量法与相关技术

　　检测幅值比的原理电路如图1所示,其中S1和S2是质量流量计传感器输出的两路信号。

　　对两路信号S1和S2放大滤波后进行和差化积,使信号的幅值正比于相位差信息,再运用相关技术进行幅值比检测,流体的质量流量跟差与和信号的幅值比成正比。幅值比检测可以采用硬件比例测量或软件比例测量的方法来实现。

　　相关技术是信号处理中的一种基本方法,也称为微窄带滤波或锁相技术,幅值比测量法中应用了自相关检测和互相关检测。由于传感器输出的信号不可避免含有噪声与谐波,经过相关检测,信号经延时、相乘、积分及平均运算后,随着时间的增加,去掉了高次谐波和噪声,从而可检测出有用的基波信号,再进行幅值检测得到幅值比,从而得到两路信号的相位差。

　　相位差表达式:

　　式中:c0为零流量时差信号压频转换后的计数值;c1与c2分别为有流量时差信号与和信号压频转换后的计数值。

　　对于CMF,由于Δθ≤4°,上式可近似为:

　　Δθ= (c₁-c₀) /c₂(2)

　　最终得到流体的质量流量表达式为:

　　式中:Qm为流体的质量流量;α为质量流量标定系数;ω为传感器的振动频率;Kt为流量温度修正系数。

　　比率测量的优点是可以消除某些环境因素引起的误差,同时具有较好的实时性和连续性。但是幅值比检测的模拟电路部分较多,而模拟器件的性能受环境变化、温度漂移、线路等因素的影响较大,从而影响了CMF的计量精度。

　　2　时间差的直接测量法

　　时间差的直接测量法,也可称为填充计数法,关键是双计数器的应用。其测量原理如图2所示。

　　传感器输出的两路同频正弦信号,经过信号过零检测和电压检测,得到方波信号,方波信号再经过鉴相器后得到两路输入信号的相位差信号,对其用高频时钟脉冲进行填充,用计数器对填充脉冲后的相位差信号进行计数,就可得到一个或几个信号周期内相位差信号的脉冲个数,从而计算出流体质量流量的时间差。时间差的表达式是: