质量流量计测量原理与应用
一、质量流量计基本概念
二、质量流量测量技术的发展
三、科里奥利质量流量计典型结构和工作原理
四、科里奥利质量流量计的应用
质量流量计测量原理与应用——质量流量计基本概念
(一) 仪表定义
(二) 仪表分类
(三) 仪表的测量特性
(四) 仪表测量的不确定度
质量流量计基本概念——仪表定义
质量流量计是对被测介质的流量进行连续测量，测量结果是以公斤或吨等工程单位显示出来的流量仪表。
质量流量计基本概念——仪表分类
质量流量计是一种推理式流量计，按测量方法可以分为二大类：一是质量流量间接式测量，即同时测量流体的体积流量和密度值，由运算放大器计算得到流体质量，或是同时测量流体的体积流量和温度、压力值，利用流体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量；二是质量流量直接式测量方法，流体测量直接反映质量流量值，与流体的温度、压力和密度等参数的变化无关。
质量流量计基本概念——仪表分类
1、间接式质量流量计
（1） 压力温度补偿式差压流量计
（2） 压力温度补偿式体积流量计
2、直接式质量流量计
（1） 热式质量流量计（TMF）
a、 托马斯流量计
b、 边界层流量计
c、 旁路管流量计
（2） 冲量式质量流量计（冲板）
（3） 差压式质量流量计（孔板+定流量泵）
（4） 双涡轮式质量流量计
（5） 科里奥利式
质量流量计基本概念——仪表的测量特性
仪表的测量特性(静态特性和动态特性)
静态特性 ：
是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关系。对静态特性的基本要求是：输入为零输出亦为零，输出与输入成惟一的对应关系。
表征静态特性的参数有：静态变换函数、静态特性曲线、仪表系数、流出系数、流量范围（量程）、线性度、灵敏度、迟滞、稳定性、零漂、重复性、精确度和压力损失等。
质量流量计基本概念——仪表的测量特性
动态特性
是指被测量对象的输入值瞬态快速变化时，输出值的时间响应或频率响应特性。
（1） 时间域
被测对象输入值为阶跃信号时，输出值的时间响应特性。其品质指标可用时间常数表示。时间常数是指输出值达到63%稳态值时的时间，用S表示。
（2） 频率域
被测对象输入值按正弦波频率变化时，输出值的频率响应特性。流量计的输出值与输入值的比值随频率而变化的特性称为频率响应特性。
质量流量计基本概念—仪表测量的不确定度
1、测量误差组成
流量测量误差出现的特点可分为系统误差、随机误差和粗大误差。
2、测量的不确定度
（1） 标准不确定度的A类评定
（2） 标准不确定度的B类评定
（3） 合成标准不确定度
（4） 扩展不确定度
（5） 测量不确定度计算与表示
3、流量测量的不确定度
首先求的各参数A类和B类不确定度，然后进行合成标准不确定度和扩展不确定度的计算。
质量流量测量技术的发展
流量测量技术的发展与应用和需求是相互依存的，应用和需求是推动流量测量技术发展的动力。
目前，质量流量的各种测量方法，包括间接式和直接式测量方法，都有一定的应用。质量流量间接测量方法，因为引入了多个中间参数的测量，然后进行运算和修正，因而积累误差较大，但因其具有传统方式的继承性，用户又比较熟悉，在一些测量准确度要求不高的场合，应用仍比较多。尤其是采用补偿式方式测量气体的质量流量或气体标况体积方面的应用十分广泛。
质量流量测量技术发展的重点是质量流量直接式测量方法，以提高测量准确度，实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、高可靠的测量。在质量流量直接式测量方法中，科里奥利质量流量计已经受到各方面用户的青睐。这是因为它能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大，又适合应用于高粘度流体。
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理
（一）概述
（二） CMF基本结构
（三） CMF测量原理
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理--概述
科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。
从1950年开始，科学家和工程师们花费了许多年试验、开发质量流量仪表，借此消除容积测量的误差及昂贵不便的称重法。在1970年后James.E.Smith—美国高准（Micro Motion）公司的创始人成功地开发了第一个可应用于工业的质量流量计，科里奥利质量流量计，它是根据科里奥利[Coriolis]效应原理研制而成的。1984年James.E.Smith将所发明的“U”型振动管式的科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flow—CMF)投入市场。
之后各国仪表厂相继开发生产。我国CMF的应用起步较晚，设计生产CMF的厂家仅有太行仪表厂等，还有几家制造厂组建合资企业采用国外技术组装生产销售质量流量仪表。
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构
科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成。
1、流量传感器
流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感型谐振式传感器。该传感器由振动管、信号检测器、震荡驱动器、支撑结构和壳体所组成。科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构
图3.2.1 双U型管质量流量传感器结构示意图 图3.2.2 双直型管质量流量传感器剖面图
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构
2、流量变送器
是以微处理为核心的电子系统。它用来向传感器提供驱动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其他一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。流量变送器一般输出标准电流信号或频率信号，并可按一定的通讯协议，实现与上位机和DCS系统的交联与远传通讯。变送器上的显示面板可以组态显示所要求的各种参数。科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构
2、流量变送器
是以微处理为核心的电子系统。它用来向传感器提供驱动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其他一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。流量变送器一般输出标准电流信号或频率信号，并可按一定的通讯协议，实现与上位机和DCS系统的交联与远传通讯。变送器上的显示面板可以组态显示所要求的各种参数。
有的流量变送器，没有显示面板和操作键盘，只有模拟量或频率量输出。在实际应用中需要另外配备二次仪表和手操器实现参数显示、流量累积和操作组态。
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构
3、流量传感器的测量管结构形式
科里奥利质量流量传感器的测量管有各种不同的结构形式：
（1）按照测量管的数量可将其分为单管型、双管型和连续管型三种结构。
（2）按照测量管的形状可分为直管型和弯管型两大类。
目前，科里奥利质量流量传感器的检测振动管管形已发展到二十多种。无论振动管形状如何，基本原理是一致的，都是根据Coriolis效应原理测量流量质量的。
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构
图3.2.3 典型的测量管管型图
科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF测量原理
CMF测量原理
1 、基本理论
2、 CMF测量原理
3、信号处理系统
1、基本理论
Coriolis效应是一种自然现象，于1835年在巴黎可尔[Ecole]工业大学的数学教授Gaspard.Gustave de Coriolis定量的。
Coriolis效应可解释在地球表面上自由运动的物质为什么会看似弯曲运行在一个转动参照系中当一个物体相对于该系而平移时，除了向心力外还有另一个附加力作用在该物体上，这个力称为Coriolis力。
CMF测量原理——基本理论
例如设参照系是一个以恒定角速度绕轴O而转动的圆盘（图3.3.1），其转动方向图中矢量所示，当一个物体以速度V’沿半径运动时，就有一个“惯性力”FK=2 V’ ·ωm作用于该物体上，
此力的方向垂直于V’，力FK就是
Coriolis力，此力即依赖于物体相对于
转动参照系的速度V’，也依赖于参照
系转动的角速度ω。 图3.3.1传动系
CMF测量原理——基本理论
Coriolis质量流量计就是将
永恒的旋转运动变成了振动在
检测器有一个电磁驱动系统，
它驱动测量管以它固有的频率
振动，这就形成了一个转动参
照系，它的振动与调谐振音叉
相类似。
当一个位于旋转体内的质
点作朝向或远离旋转中心的运
动时，将产生一惯性力，
图3.2.2表示这一原理。
图3.3.2 旋转管道中的科氏力
CMF测量原理——基本理论
当质量为m的质点以匀速V在一个围绕固定点O并以角速度ω旋转的管道移动时，将沿着旋转的法线方向存在一个向心力Fr=ω2r·△m；沿着切线方向质点对管壁也产生一个反作用力，Fc=2ωV·△m，这个力就是Coriolis力
Fc=2ωV·△m
Fc=Coriolis力
ω=旋转体的角速度
V=质点在旋转体中的经向速度
△m=质点的质量
上式表明,在旋转角速度一定的条件下,一个质点的Coriolis力的大小与该质量的流速成正比。因此直接或间接测量在旋转管道中的流体所施加的科里奥利力就可以测得质量流量。这就是CMF的基本原理。
CMF测量原理——CMF测量原理
2、 CMF测量原理
以Micromotion的U型振动管为例，对Coriolis质量流量计的测量做定量分析：
Micromotion的U型振动管，通常振幅小于1mm，
频率大约为80Hz.图3.3.3为振动中的测量管,流体
被强制接受管子的垂直动量,在管子向上运动的
振动半周期时,流入仪表的流体向下压,抵抗管子
向上的力.反之,流出仪表流体存在向上的力,抗 图3.3.3振动中的测量管
拒管子对其垂直量的减少而把管子向上推。两个反作用力合成引起流量测量管扭曲；这就是Coriolis效应。在振动的另外半周期，管子向下运动而扭曲方向就相反。
图3.3.4显示一个流体，经过一个测量管，有一个质量m和速度V，它以相对O—O轴线的角速度ω旋转。因而产生Coriolis：
F=2mω V （1）
式中F和ω是矢量,m包含在长度L测量管中的质量(即半管中的流体质量)。
CMF测量原理——CMF测量原理
hdhjsfjdfhjsjkdhfhjksdhjkhjsdfjiodsg
图3.3.4测量管转动示意图
流体的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果从尾端观看这个测量管是两个引线（在图3.3.4中从R—R轴线看进去），由在入口与出口管线上的流体产生的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。
由于管子相对O—O轴振动，这个力产生一个相对于R—R轴的振动力矩M（半径是r，即转动力臂为r ）。
CMF测量原理——CMF测量原理
M=F1·r1+F2·r2 （2）
由于F1=F2 r1=r2由式子（1）和（2）得出：
M=2Fr=4ω·V·m·r (3)
质量m是由密度ρ、管截面积A和长度L定义的，速度V是由单位时间的单位L定义的。质量流量qm是由每单位时间内通过的一个给出点质量决定的，那就是m=ρ·A·L及V=L/t 、qm =m/t这样通过取代qm =mv/L式中L是管长,
式(3)变成:M=4ω·r· qm ·L
力矩M产生一个角度偏转即
扭转角θ,相对于R—R轴线。
这扭转角在振动管移动的中
点最大(图3.3.5所示)
(4)
图3.3.5 由测量管尾端所显示泊流体力
CMF测量原理——CMF测量原理
然而，由M产生的偏转被测量管的伸展弹力K所抵制，总之，对于任何的扭转弹力，扭矩T定义为T=Kθ（5）由于T=M，现在通过组合（4）与（5）式，质量流量qm能与偏转角度θ联系成相关式子。
Kθ
qm = （6）
4ω·r·L
在管子轴线中心的移动速度Vt（线速度）乘以时间间隔△t ，就与用几何图形3.3.5表示的θ有关系。
Vt ·△t
Sinθ= （7）
2r
CMF测量原理——CMF测量原理
由于θ很小，它几乎等于Sinθ,对于小的旋转角Vt是ω和管长L的乘积，那就是θ=Sinθ、Vt=ωL，这样式（7）变成：
ω·L·△t
θ= （8）
2r
综合式（6）和（8）得出：
K·ω·L·△t K
qm = = △t （9）
8r2ω·L 8r2
CMF测量原理——CMF测量原理
这样质量流量计qm只与时间差△t和几何常数成比例， qm与ω无关，所以说与测量管的振动频率无关。
质量流量通过用电磁感应器测量偏转角θ获得，如图3.3.6所示，在横穿于测量管的中心轴线上的感应器，按一个时间函数测量θ，当没有流量时，在测量和轴线左右之间转角θ为零，时间差△t即是0。而随着流量的增加引起θ增加，时间差△t也增加。而这个时间差△t可以通过安装在U形管端部的两个位移检测器所输出的电压的相位差测量出来，传送到仪表的变送器进行处理转换。
CMF测量原理——CMF测量原理
图3.3.6 测量管扭转的完整周期
CMF测量原理——信号处理系统
3、信号处理系统
在流量传感器工作过程中，测量管弹性系统始终处于谐振状态。没有测量管的振动，就没有科氏力的发生，质量流量传感器就停止了工作。
CMF测量原理——信号处理系统
大多采用电磁法检测相位差的变化。其原理如图3.3.7所示，两个检测线圈分别位于其中一根测量管两侧对成位置上，在另一根测量管响应位置上固定着两块永久磁铁。根据电磁感应原理，测量管震动过程中在检测线圈回路里形成相对速度变化的交变电势。当测量管中无流体流动时，测量管进出口侧通过振动中心位置的时间相同，其产生的交变电势相位亦相同；当测量管中有流体流动时，测量管进、出口侧通过振动中心位置的时间不同步，因而产生的交变电势的相位便有了一个差值。
CMF测量原理——信号处理系统
除图3.3.7所示的信号处理电路之外，目前大多数弯管型质量流量计也都采用了以微处理器为核心的信号处理电路，其电路框图的一般形式如图3.3.8所示。
在图3.3.8中，由左、右侧电磁式检测器L、R的测得二列电压正弦信号分别经本安电路到隔离放大器A1、A2进行放大。
CMF测量原理——信号处理系统
同时，由左侧信号检测器L输出的电压正弦信号经隔离放大器A2放大，再经驱动放大器放大后，给驱动线圈提供激励电流，由电磁驱动器激励测量管振荡。而该振动信号又被信号检测器所拾取，从而有信号检测器、放大器和电磁驱动器构成一个正反馈回路，维持测量管振动系统的自激振荡。
为了保持测量管的稳幅振动，在驱动放大器上接有负反馈AGC自动增益控制电路,在AGC自动增益控制电路中u2与基准电平相比较，输出一幅值稳定的控制信号到激励线圈，使电磁驱动器驱动测量管以激励频率振动。
CMF测量原理——信号处理系统
左、右侧电磁式检测器L、R的检测信号，经隔离放大器A1、A2放大后，进入信号处理电路，信号处理电路在微处理器的配合下，得到左右检测信号的相位差或时间差△t，这个时间差与质量流量成线性关系。
同时，信号处理电路根据其输入信号u1 和u2 得测量管的振动频率信号。测量管的振动频率是流体密度的函数，随流体密度增大而减小。微处理器根据检测信号的时间差△t和检测信号的频率f，解算出流体的质量流量和密度。
CMF测量原理——信号处理系统
此外，质量流量传感器中的温度检测元件一般为帖附在测量管进口端管壁上的铂电阻。铂电阻由恒流源供电，并取会铂电阻的端电压，由电压变换电路处理产生电压UR 。微处理器根据电压UR 解算出测量管的温度值，并对由测量管管材的弹性模量随温度变化所引起的质量流量和密度测量的温度结构误差予以修正。
由微处理器直接驱动电流环和频率环部件，分别输出0/4~20mA标准电流信号和频率信号，标准电流和频率信号所代表的被测量和范围均可以组态。
CMF测量原