摘 要：分析了對諧振式科氏質(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、非線性振動、流體脈動和安裝應(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)措施具有較好實用效果，對提高該傳感器的性能有重要意義。

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

    流體的質(zhì)量流量（k/s）的測量與控制在許多工業(yè)領(lǐng)域有著重要而廣泛的作用。對質(zhì)量流量的測量多以間接方式為主，即要分別測量出流體的體積流量（m³/s）和密度（kg/m³），再進行解算。這種方式在時間、空間上很難保證一致性、同步性；從而在測量精度、實時性、可靠性、可維護性等方面有許多很難解決的問題。因此，直接測量流體的質(zhì)量流量是儀器儀表界要解決的重要課題。近年來，基于科氏效應(yīng)（Coriolis Effect）的諧振式直接質(zhì)量流量計便是其中先進的一種^[1-4]。它技術(shù)含量高、難度大，涉及力學(xué)、機械、電子、磁、控制等多學(xué)科；因其性能優(yōu)、附加值高、市場應(yīng)用廣，自1977年問世后發(fā)展十分強勁。國內(nèi)每年直接需求量在2000臺套以上，銷售額超過一億元。

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

    （1）多功能性，可同步測出流體的密度（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量）；同時，我們現(xiàn)在已成功地將此功能擴展到具有一定的物理相溶性的雙組分液體的測量上；
    （2）信號處理，質(zhì)量流量、密度的解算都是直接針對周期信號的，便于與計算機連接構(gòu)成分布式計算機測控系統(tǒng)；易于解算出被測流體的瞬時質(zhì)量流量（kg/s）和累計質(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、德國、日本等多種結(jié)構(gòu)型式的科氏質(zhì)量流量計（精度0.2%）已進入國內(nèi)市場，盡管其產(chǎn)品價格高，仍占有逾80%的市場份額。

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

    基于我們在諧振式傳感器方面多年的工程實踐經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)的積累，于1990年起探索研究科氏直接質(zhì)量流量計的有關(guān)問題。在近期研究過程以及在科氏質(zhì)量流量計的實用中發(fā)現(xiàn)：有許多干擾因素，如耦合振動、非線性振動、流體脈動、安裝應(yīng)力等嚴重影響著科氏質(zhì)量流量計的性能與實用效能。這些干擾因素不僅是科氏質(zhì)量流量計在實用中經(jīng)常遇到的技術(shù)難題（國外產(chǎn)品使用中也會出現(xiàn)類似問題）；而且在國內(nèi)外公開的專利與文獻報道中涉及的非常少，尚未有效果較明顯、具有較普遍意義的解決措施。為了提高我國對該類先進的直接質(zhì)量流量計的理論與實用技術(shù)的研究水平，進一步增強我國獨立設(shè)計、研制、生產(chǎn)科氏質(zhì)量流量計的技術(shù)能力，我們在國家自然科學(xué)基金的資助下，對上述干擾因素影響科氏質(zhì)量流量計的關(guān)鍵途徑與規(guī)律開展深入的理論與試驗研究，以給出抑制或減小影響的合理的實用性方案。本文就是針對科氏質(zhì)量流量計的一些干擾因素的形成、對傳感器工作過程的影響機制等進行概要分析，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 科氏質(zhì)量流量計工作機理

    科氏質(zhì)量流量計主要由彈性測量管、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，參見圖1。其工作機理為：彈性激振單元維持敏感結(jié)構(gòu)處于諧振狀態(tài)，測量管作“彎曲主振動”；當質(zhì)量流量流過振動的測量管時，所產(chǎn)生的“科氏效應(yīng)”使測量管在上述“彎曲主振動”的基礎(chǔ)上，誘導(dǎo)出直接與所流過的“質(zhì)量流量（kg/s）”相關(guān)的“扭轉(zhuǎn)副振動”；通過一對拾振單元檢測測量管的“復(fù)合振動”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)，對實用中經(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 干擾因素影響機制的分析

    傳感器工作過程中，敏感結(jié)構(gòu)的振動能量很容易通過其邊界結(jié)構(gòu)傳遞到傳感器的機箱上和管路上，從而引起傳感器振動狀態(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，信號流的傳輸，能量相互轉(zhuǎn)化的過程等來揭示、掌握科氏質(zhì)量流量計干擾因素影響產(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，這對敏感結(jié)構(gòu)的彎曲主振動的隔振（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”。這樣外部隨機的干擾振動能量就會傳到傳感器的敏感結(jié)構(gòu)上，使其正常的固有振動特性發(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主振動與由于科氏效應(yīng)誘發(fā)出來的測量副振動疊加在一起，形成復(fù)合振動。復(fù)合振動本質(zhì)上屬于非線性振動的范疇。而在測量過程中，被測流體的性態(tài)變化較大，因此，將導(dǎo)致激勵主振動信號與測量副振動信號相互影響程度發(fā)生較大的變化。

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

    此外，科氏質(zhì)量流量計在使用過程中，由于通過連接法蘭安裝時，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)生對流量傳感器復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)振動特性的影響。

    上述這些引起傳感器敏感結(jié)構(gòu)及其振動特性變化的因素，實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)當著重解決影響科氏質(zhì)量流量計工作穩(wěn)定性、可靠性的有關(guān)干擾因素對傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的干擾機理。這就要從傳感器雙彈性彎管與激勵單元的連接方式、彈性彎管上的定距板實現(xiàn)方式、分流器（匯流器）、連接底板、保護外殼體、法蘭連接件等多個環(huán)節(jié)進行了深入研究，獲得階段性的研究結(jié)果簡述如下。

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

    諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器的激勵單元是保證其連續(xù)工作的基礎(chǔ)，質(zhì)量流量傳感器的敏感結(jié)構(gòu)中有一對完全對稱的彈性彎管，它們在工作時應(yīng)處于同步的、對稱的反向振動。因此重點研究激勵單元連接方式以及相應(yīng)的激勵方式對復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的影響；在此基礎(chǔ)上對連接復(fù)合彈性敏感結(jié)構(gòu)的激勵單元進行了優(yōu)化設(shè)計。

    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， 同時也對傳感器的測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量靈敏度和工作穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上對定距板的連接方式進行優(yōu)化設(shè)計。

    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

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

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

    諧振式科氏質(zhì)量流量傳感器復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)的工作模式對敏感結(jié)構(gòu)的彎曲主振動的隔振是不利的。工程應(yīng)用與試驗研究表明：傳感器的保護外箱體存在著與復(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“柔性實現(xiàn)”的新思路，并進行了大量的試驗研究。試驗研究結(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”，同時也有效地降低了安裝應(yīng)力對傳感器性能的影響。

    4 結(jié)論

    基于諧振式科氏質(zhì)量流量計的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，本文從能量信號流的角度對其自身的工作特征進一步解析了其工作機理；討論了質(zhì)量流量傳感器內(nèi)部耦合振動、非線性振動、流體脈動和安裝應(yīng)力等易于引起傳感器敏感結(jié)構(gòu)振動特性的干擾因素對傳感器性能的影響；給出了部分階段性研究結(jié)果和進一步深入研究的思路。

    參考文獻

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