科氏质量流量计相位差的一种高精度估计方法

　　0　引　言

　　科氏质量流量计(Coriolismass flowmeter, CMF)是一种用于直接测量质量流量的流量计,它在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等变化对测量精度的影响,可以适应气体、液体、两相流、高粘度流体和糊状介质的测量,是一种高精度、适应范围很广的测量方法,广泛应用于石油、化工、化学、食品、造纸、制药等行业。

　　CMF是利用流体流过振动管道时产生的Coriolis效应对管道两端振动相位的影响来测量流过管道的流体质量的。但在工业现场,由于环境噪声和干扰很大,检测到的信号信噪比很差,两路振动信号相位差的检测精度大大降低。此外,管子的振动频率受流体密度等因素影响,使其不等于驱动频率,致使传感器输出信号频率发生变化以及频率成分复杂,二次仪表所测出的是合成波的相差。传统的相位差检测方法精度较低,误差一般在±1%以上,这就大大制约了流量测量精度。为此,本文从信号处理的角度提出了一种新的相位差检测方法,可大大提高CMF的流量测量精度。

　　1　CMF的工作原理

　　以典型的U型管CMF为例,见图1。在外力的驱使下,U型检测管绕OO轴按其自然角频率ω振动。当流体以匀流速V流过U型管时,根据质点动力学原理,在U型管向上运动时,入口一侧产生向上的科氏加速度,相应的科氏力F1向下作用在管壁上;出口一侧产生向下的科氏加速度,相应的科氏力F2向上作用在管壁上。F1和F2大小相等,方向相反,即

　　可见,在U型管材料及结构确定的情况下,质量流量qm与时间差Δt成正比,而与U型管角频率ω无关,亦即与传感器管的振动频率无关[1]。通过2个磁电传感器分别检测两侧支管的振动,输出两路频率相同的正弦信号,计算出其相位差(时间差),即可求得质量流量。

2　CMF的相位差检测方法

　　CMF最初采用的是计数式的信号处理方法,即通过二次仪表对2个拾振传感器的输出信号进行放大、滤波、整形和计数,测量其相位差的大小。这种信号处理方法测出的是合成波的相位差,并且,抗干扰能力差,不适宜测量小相差,从而制约了测量精度的提高,其现场测量精度往往难以达到规定的指标要求。

　　为此,人们提出了一种基于正弦采样的新方法,即通过放大、窄带滤波、采样和数字处理获得两路传感器信号的相位差[2~4]。以具有数字信号处理功能的CorimassMF2000质量流量计为例[1],来自两侧位置检测器的两列正弦信号在输入级转变为数字量,并在每个周期内密集采样(见图2),输送至第一个微处理器,把2个检测器(A, B)测得的时间差换算成科氏力位移之差,从而给出与质量流量成正比的信号。