流体的质量流量(kg/s)的测量与控制在许多工业领域有着重要而广泛的作用。对质量流量的测量多以间接方式为主,即要分别测量出流体的体积流量(m3/s)和密度(kg/m3),再进行解算。这种方式在时间、空间上很难保证一致性、同步性;从而在测量精度、实时性、可靠性、可维护性等方面有许多很难解决的问题。因此,直接测量流体的质量流量是仪器仪表界要解决的重要课题。近年来,基于科氏效应( Coriolis Effect)的谐振式直接质量流量计便是其中先进的一种。它技术含量高、难度大,涉及力学、机械、电子、磁、控制等多学科;因其性能优、附加值高、市场应用广。
科氏质量流量计除了可直接测量质量流量,受流体的粘度、密度、压力等因素的影响很小外,还有如下两个显著特点:
(1)多功能性,可同步测出流体的密度(从而可以解算出体积流量);并可解算出双组分液体(如油和水)各自所占的比例(包括体积流量和质量流量以及它们的累计量);同时,我们现在已成功地将此功能扩展到具有一定的物理相溶性的双组分液体的测量上;
(2)信号处理,质量流量、密度的解算都是直接针对周期信号的,便于与计算机连接构成分布式计算机测控系统;易于解算出被测流体的瞬时质量流量(kg/s)和累计质量(kg);也可以同步解算出体积流量(m3/s)及累积量(m3)。
目前,美国、德国、日本等多种结构型式的科氏质量流量计(精度0.2%)已进入国内市场,尽管其产品价格高,仍占有逾80%的市场份额。
国内从20世纪80年代末开始研制样机,近几年也推出了一些产品。但对于该类仪器中关键的传感器部分的内在工作机理、诸多参数的相关性、独立性等缺乏透彻的理论研究。
基于我们在谐振式传感器方面多年的工程实践经验和理论基础的积累,于1990年起探索研究科氏直接质量流量计的有关问题。在近期研究过程以及在科氏质量流量计的实用中发现:有许多干扰因素,如耦合振动、非线性振动、流体脉动、安装应力等严重影响着科氏质量流量计的性能与实用效能。这些干扰因素不仅是科氏质量流量计在实用中经常遇到的技术难题(国外产品使用中也会出现类似问题);而且在国内外公开的专利与文献报道中涉及的非常少,尚未有效果较明显、具有较普遍意义的解决措施。为了提高我国对该类先进的直接质量流量计的理论与实用技术的研究水平,进一步增强我国独立设计、研制、生产科氏质量流量计的技术能力,我们在国家自然科学基金的资助下,对上述干扰因素影响科氏质量流量计的关键途径与规律开展深人的理论与试验研究,以给出抑制或减小影响的合理的实用性方案。本文就是针对科氏质量流量计的一些干扰因素的形成、对传感器工作过程的影响机制等进行概要分析,提出减小或抑止这些干扰因素影响的应研究的主要内容、关键技术以及解决思路等。
1.科氏质量流量计工作机理
科氏质量流量计主要由弹性测量管、弹性激振单元、拾振单元、闭环自激放大单元、定距板、连接底板外壳体(机箱)、分流器(汇流器)、连接接口(如法兰或螺纹)以及二次表等组成,参见图1。其工作机理为:弹性激振单元维持敏慼结构处于谐振状态,测量管作“弯曲主振动”;当质量流量流过振动的测量管时,所产生的科氏效应”使测量管在上述“弯曲主振动”的基础上,诱导出直接与所流过的“质量流量(kg/s)”相关的“扭转副振动”;通过一对拾振单元检测测量管的“复合振动”就可以直接得到流体的质量流量口。显然,科氏质量流量计能够稳定、可靠地工作,关键是要保证敏感结构处于理想的谐振状态,对实用中经常出现的影响敏感结构谐振状态的有关干扰因素,要抑制或尽可能减小其影响。
2.干扰因素影响机制的分析
传感器工作过程中,敏感结构的振动能量很容易通过其边界结构传递到传感器的机箱上和管路上,从而引起传感器振动状态的不稳定:轻则降低传感器的精度,重则导致传感器工作失效。因此,首先要集中精力从多方面研究谐振式科氏质量流量传感器的稳定性问题,即必须从传感器(特别是复合敏感部分)自身的整体结构的特征,信号流的传输,能量相互转化的过程等来揭示、掌握科氏质量流量计干扰因素影响产生的途径与规律。
谐振式科氏质量流量传感器复合敏感结构的工作模式,决定了其连接底板与弹性弯管复合敏感在空间上是正交连接的,这对敏感结构的弯曲主振动的隔振(解耦)是不利的,也即非常容易引起传感器结构的“耦合振动”。这样外部随机的干扰振动能量就会传到传感器的敏感结构上,使其正常的固有振动特性发生变化。
由于该质量流量传感器自身为复合敏感结构,维持传感器工作的激励主振动与由于科氏效应诱发出来的测量副振动叠加在一起,形成复合振动。复合振动本质上属于非线性振动的范畴。而在测量过程中,被测流体的性态变化较大,因此,将导致激励主振动信号与测量副振动信号相互影响程度发生较大的变化流体,特别是液态流体在传输过程中,具有一定的脉动性。脉动的流体相当于被测的流体质量流量处于一种特殊的动态,这样谐振式科氏质量流量传感器在使用过程中,脉动流体将会影响科氏质量流量传感器的复合敏感结构的固有振动频率和振型。
此外,科氏质量流量计在使用过程中,由于通过连接法兰安装时,非常容易引起一定量值的安装应力。安装应力将有可能产生对流量传感器复合弹性敏感结构振动特性的影响。
上述这些引起传感器敏感结构及其振动特性变化的因素,实际上就是影响传感器的工作性能的主要干扰因素。
3.阶段性研究结果
基于上述分析,应当着重解决影响科氏质量流量计工作稳定性、可靠性的有关干扰因素对传感器复合敏感结构的干扰机理。这就要从传感器双弹性弯管与激励单元的连接方式、弹性弯管上的定距板实现方式分流器(汇流器)、连接底板、保护外壳体、法兰连接件等多个环节进行了深入研究,获得阶段性的研究结果简述如下。
3.1激励单元连接方式与定距板连接方式的优化设计
谐振式科氏质量流量传感器的激励单元是保证其连续工作的基础,质量流量传感器的敏感结构中有对完全对称的弹性弯管,它们在工作时应处于同步的、对称的反向振动。因此重点研究激励单元连接方式以及相应的激励方式对复合弹性敏感结构的影响;在此基础上对连接复合弹性敏感结构的激励单元进行了优化设计。
定距板也是影响复合弹性敏感结构的关键因素之,同时也对传感器的测量灵敏度有着较大的影响。因此应在综合考虑传感器的测量灵敏度和工作稳定性的基础上对定距板的连接方式进行优化设计。
3.2分流器(汇流器)结构及其连接方式的优化设计
以复合弹性弯管敏感结构固有振动特性不受外界干扰影响为出发点,深人研究分流器(汇流器)结构及其连接方式对质量流量测量过程的影响,我们提出了分流器(汇流器)基于“硬隔振”原理的设计原则和具体的实现方式。初步研究结果表明:设计思路是正确的,也是可行的,具有工程应用价值
3.3连接底板、保护外箱体结构及其参数的优化设计
谐振式科氏质量流量传感器复合敏慼结构的工作模式对敏感结构的弯曲主振动的隔振是不利的。工程应用与试验研究表明:传感器的保护外箱体存在着与复合敏感结构的耦合谐振现象。这一耦合谐振现象正是引起传感器测量误差以及工作不稳定的重要表现形
式。为此我们提出了正交连接的“柔性实现”的新思路,并进行了大量的试验研究。试验研究结果表明:所提出的“柔性连接”的新思路以及具体的实现方案连同上述其他相关的技术措施能够大大降低谐振式科氏质量流量传感器的“内部耦合振动”,同时也有效地降低了安装应力对传感器性能的影响。
4.结论
基于谐振式科氏质量流量计的复合敏感结构,本文从能量信号流的角度对其自身的工作特征进一步解析了其工作机理;讨论了质量流量传感器内部耦合振动、非线性振动、流体脉动和安装应力等易于引起传感器敏感结构振动特性的干扰因素对传感器性能的影响;给出了部分阶段性研究结果和进一步深入研究的思路。