摘 要：分析了對(duì)諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器工作穩(wěn)定性和可靠性影響較大的四種干擾因素：內(nèi)部耦合振動(dòng)、非線性振動(dòng)、流體脈動(dòng)和安裝應(yīng)力的影響途徑；給出了改善或抑止這些干擾因素影響的思路與措施。初步試驗(yàn)研究表明：得到的研究結(jié)果與提出的技術(shù)措施具有較好實(shí)用效果，對(duì)提高該傳感器的性能有重要意義。

關(guān)鍵字：HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì) 干擾 抑止 耦合振動(dòng) 非線性振動(dòng) 流體脈動(dòng) 應(yīng)力

    流體的質(zhì)量流量（k/s）的測(cè)量與控制在許多工業(yè)領(lǐng)域有著重要而廣泛的作用。對(duì)質(zhì)量流量的測(cè)量多以間接方式為主，即要分別測(cè)量出流體的體積流量（m³/s）和密度（kg/m³），再進(jìn)行解算。這種方式在時(shí)間、空間上很難保證一致性、同步性；從而在測(cè)量精度、實(shí)時(shí)性、可靠性、可維護(hù)性等方面有許多很難解決的問(wèn)題。因此，直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量是儀器儀表界要解決的重要課題。近年來(lái)，基于科氏效應(yīng)（Coriolis Effect）的諧振式直接質(zhì)量流量計(jì)便是其中先進(jìn)的一種^[1-4]。它技術(shù)含量高、難度大，涉及力學(xué)、機(jī)械、電子、磁、控制等多學(xué)科；因其性能優(yōu)、附加值高、市場(chǎng)應(yīng)用廣，自1977年問(wèn)世后發(fā)展十分強(qiáng)勁。國(guó)內(nèi)每年直接需求量在2000臺(tái)套以上，銷售額超過(guò)一億元。

   HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì)除了可直接測(cè)量質(zhì)量流量，受流體的粘度、密度、壓力等因素的影響很小外，還有如下兩個(gè)顯著特點(diǎn)：

    （1）多功能性，可同步測(cè)出流體的密度（從而可以解算出體積流量）；并可解算出雙組分液體（如油和水）各自所占的比例（包括體積流量和質(zhì)量流量以及它們的累計(jì)量）；同時(shí)，我們現(xiàn)在已成功地將此功能擴(kuò)展到具有一定的物理相溶性的雙組分液體的測(cè)量上；
    （2）信號(hào)處理，質(zhì)量流量、密度的解算都是直接針對(duì)周期信號(hào)的，便于與計(jì)算機(jī)連接構(gòu)成分布式計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)；易于解算出被測(cè)流體的瞬時(shí)質(zhì)量流量（kg/s）和累計(jì)質(zhì)量（kg）；也可以同步解算出體積流量（m³/s）及累積量（m³）。

    目前，美國(guó)、德國(guó)、日本等多種結(jié)構(gòu)型式的HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)（精度0.2%）已進(jìn)入國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，盡管其產(chǎn)品價(jià)格高，仍占有逾80%的市場(chǎng)份額。

    國(guó)內(nèi)從20世紀(jì)80年代末開(kāi)始研制樣機(jī)，近幾年也推出了一些產(chǎn)品。但對(duì)于該類儀器中關(guān)鍵的傳感器部分的內(nèi)在工作機(jī)理、諸多參數(shù)的相關(guān)性、獨(dú)立性等缺乏透徹的理論研究。

    基于我們?cè)谥C振式傳感器方面多年的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論基礎(chǔ)的積累，于1990年起探索研究科氏直接質(zhì)量流量計(jì)的有關(guān)問(wèn)題。在近期研究過(guò)程以及在HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)用中發(fā)現(xiàn)：有許多干擾因素，如耦合振動(dòng)、非線性振動(dòng)、流體脈動(dòng)、安裝應(yīng)力等嚴(yán)重影響著HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)的性能與實(shí)用效能。這些干擾因素不僅是HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)在實(shí)用中經(jīng)常遇到的技術(shù)難題（國(guó)外產(chǎn)品使用中也會(huì)出現(xiàn)類似問(wèn)題）；而且在國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的專利與文獻(xiàn)報(bào)道中涉及的非常少，尚未有效果較明顯、具有較普遍意義的解決措施。為了提高我國(guó)對(duì)該類先進(jìn)的直接質(zhì)量流量計(jì)的理論與實(shí)用技術(shù)的研究水平，進(jìn)一步增強(qiáng)我國(guó)獨(dú)立設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)的技術(shù)能力，我們?cè)趪?guó)家自然科學(xué)基金的資助下，對(duì)上述干擾因素影響HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)的關(guān)鍵途徑與規(guī)律開(kāi)展深入的理論與試驗(yàn)研究，以給出抑制或減小影響的合理的實(shí)用性方案。本文就是針對(duì)HKC科氏質(zhì)量流量計(jì)的一些干擾因素的形成、對(duì)傳感器工作過(guò)程的影響機(jī)制等進(jìn)行概要分析，提出減小或抑止這些干擾因素影響的應(yīng)研究的主要內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)以及解決思路等。

    1 HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì)工作機(jī)理

    HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì)主要由彈性測(cè)量管、彈性激振單元、拾振單元、閉環(huán)自激放大單元、定距板、連接底板、外殼體（機(jī)箱）、分流器（匯流器）、連接接口（如法蘭或螺紋）以及二次表等組成，參見(jiàn)圖1。其工作機(jī)理為：彈性激振單元維持敏感結(jié)構(gòu)處于諧振狀態(tài)，測(cè)量管作“彎曲主振動(dòng)”；當(dāng)質(zhì)量流量流過(guò)振動(dòng)的測(cè)量管時(shí)，所產(chǎn)生的“科氏效應(yīng)”使測(cè)量管在上述“彎曲主振動(dòng)”的基礎(chǔ)上，誘導(dǎo)出直接與所流過(guò)的“質(zhì)量流量（kg/s）”相關(guān)的“扭轉(zhuǎn)副振動(dòng)”；通過(guò)一對(duì)拾振單元檢測(cè)測(cè)量管的“復(fù)合振動(dòng)”就可以直接得到流體的質(zhì)量流量^[1]。顯然，科氏質(zhì)量流量計(jì)能夠穩(wěn)定、可靠地工作，關(guān)鍵是要保證敏感結(jié)構(gòu)處于理想的諧振狀態(tài)，對(duì)實(shí)用中經(jīng)常出現(xiàn)的影響敏感結(jié)構(gòu)諧振狀態(tài)的有關(guān)干擾因素，要抑制或盡可能減小其影響。

    2 干擾因素影響機(jī)制的分析

    傳感器工作過(guò)程中，敏感結(jié)構(gòu)的振動(dòng)能量很容易通過(guò)其邊界結(jié)構(gòu)傳遞到傳感器的機(jī)箱上和管路上，從而引起傳感器振動(dòng)狀態(tài)的不穩(wěn)定：輕則降低傳感器的精度，重則導(dǎo)致傳感器工作失效。因此，首先要集中精力從多方面研究諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的穩(wěn)定性問(wèn)題，即必須從傳感器（特別是復(fù)合敏感部分）自身的整體結(jié)構(gòu)的特征，信號(hào)流的傳輸，能量相互轉(zhuǎn)化的過(guò)程等來(lái)揭示、掌握HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì)干擾因素影響產(chǎn)生的途徑與規(guī)律。

    諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的工作模式，決定了其連接底板與彈性彎管復(fù)合敏感在空間上是正交連接的，這對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的彎曲主振動(dòng)的隔振（解耦）是不利的，也即非常容易引起傳感器結(jié)構(gòu)的“耦合振動(dòng)”。這樣外部隨機(jī)的干擾振動(dòng)能量就會(huì)傳到傳感器的敏感結(jié)構(gòu)上，使其正常的固有振動(dòng)特性發(fā)生變化。

    由于該質(zhì)量流量傳感器自身為復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，維持傳感器工作的激勵(lì)主振動(dòng)與由于科氏效應(yīng)誘發(fā)出來(lái)的測(cè)量副振動(dòng)疊加在一起，形成復(fù)合振動(dòng)。復(fù)合振動(dòng)本質(zhì)上屬于非線性振動(dòng)的范疇。而在測(cè)量過(guò)程中，被測(cè)流體的性態(tài)變化較大，因此，將導(dǎo)致激勵(lì)主振動(dòng)信號(hào)與測(cè)量副振動(dòng)信號(hào)相互影響程度發(fā)生較大的變化。

    流體，特別是液態(tài)流體在傳輸過(guò)程中，具有一定的脈動(dòng)性。脈動(dòng)的流體相當(dāng)于被測(cè)的流體質(zhì)量流量處于一種特殊的動(dòng)態(tài)，這樣諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器在使用過(guò)程中，脈動(dòng)流體將會(huì)影響科氏質(zhì)量流量傳感器的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率和振型。

    此外，HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì)在使用過(guò)程中，由于通過(guò)連接法蘭安裝時(shí)，非常容易引起一定量值的安裝應(yīng)力。安裝應(yīng)力將有可能產(chǎn)生對(duì)流量傳感器復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響。

    上述這些引起傳感器敏感結(jié)構(gòu)及其振動(dòng)特性變化的因素，實(shí)際上就是影響傳感器的工作性能的主要干擾因素。

    3 階段性研究結(jié)果

    基于上述分析，應(yīng)當(dāng)著重解決影響HK-CMF科氏質(zhì)量流量計(jì)工作穩(wěn)定性、可靠性的有關(guān)干擾因素對(duì)傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的干擾機(jī)理。這就要從傳感器雙彈性彎管與激勵(lì)單元的連接方式、彈性彎管上的定距板實(shí)現(xiàn)方式、分流器（匯流器）、連接底板、保護(hù)外殼體、法蘭連接件等多個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了深入研究，獲得階段性的研究結(jié)果簡(jiǎn)述如下。

    3.1 激勵(lì)單元連接方式與定距板連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

    諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的激勵(lì)單元是保證其連續(xù)工作的基礎(chǔ)，質(zhì)量流量傳感器的敏感結(jié)構(gòu)中有一對(duì)完全對(duì)稱的彈性彎管，它們?cè)诠ぷ鲿r(shí)應(yīng)處于同步的、對(duì)稱的反向振動(dòng)。因此重點(diǎn)研究激勵(lì)單元連接方式以及相應(yīng)的激勵(lì)方式對(duì)復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的影響；在此基礎(chǔ)上對(duì)連接復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的激勵(lì)單元進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    定距板也是影響復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素之一， 同時(shí)也對(duì)傳感器的測(cè)量靈敏度有著較大的影響。因此應(yīng)在綜合考慮傳感器的測(cè)量靈敏度和工作穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上對(duì)定距板的連接方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

    3.2 分流器（匯流器）結(jié)構(gòu)及其連接方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

    以復(fù)合彈性彎管敏感結(jié)構(gòu)固有振動(dòng)特性不受外界干擾影響為出發(fā)點(diǎn)，深入研究分流器（匯流器）結(jié)構(gòu)及其連接方式對(duì)質(zhì)量流量測(cè)量過(guò)程的影響，我們提出了分流器（匯流器）基于“硬隔振”原理的設(shè)計(jì)原則和具體的實(shí)現(xiàn)方式。初步研究結(jié)果表明：設(shè)計(jì)思路是正確的，也是可行的，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

    3.3 連接底板、保護(hù)外箱體結(jié)構(gòu)及其參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

    諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的工作模式對(duì)敏感結(jié)構(gòu)的彎曲主振動(dòng)的隔振是不利的。工程應(yīng)用與試驗(yàn)研究表明：傳感器的保護(hù)外箱體存在著與復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的耦合諧振現(xiàn)象。這一耦合諧振現(xiàn)象正是引起傳感器測(cè)量誤差以及工作不穩(wěn)定的重要表現(xiàn)形式。為此我們提出了正交連接的“柔性實(shí)現(xiàn)”的新思路，并進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)研究結(jié)果表明：所提出的“柔性連接”的新思路以及具體的實(shí)現(xiàn)方案連同上述其他相關(guān)的技術(shù)措施能夠大大降低諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的“內(nèi)部耦合振動(dòng)”，同時(shí)也有效地降低了安裝應(yīng)力對(duì)傳感器性能的影響。

    4 結(jié)論

    基于諧振式科氏質(zhì)量流量計(jì)的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，本文從能量信號(hào)流的角度對(duì)其自身的工作特征進(jìn)一步解析了其工作機(jī)理；討論了質(zhì)量流量傳感器內(nèi)部耦合振動(dòng)、非線性振動(dòng)、流體脈動(dòng)和安裝應(yīng)力等易于引起傳感器敏感結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的干擾因素對(duì)傳感器性能的影響；給出了部分階段性研究結(jié)果和進(jìn)一步深入研究的思路。