摘要: 針對科里奧利質量流量計振幅改變引起零點漂移的問題，首先通過簡化模型建立流量管的彎曲振動方程，求解兩檢測點的位移響應，得到零點相位差與振幅之間的線性關系; 然后采集不同振幅下的傳感器放大信號，編寫過零檢測算法，計算零點相位差，建立零點與振幅之間關系的直線，實驗驗證零點與振幅的線性關系; *后結合檢定規程和零點計算結果，定性和定量地分析振幅改變引入的零點漂移導致的測量誤差，結果表明，振幅改變越大，引入的測量誤差越大，當流量為10kg/min 時，振幅改變10mV引入的測量誤差達 0.727% 。
關鍵詞: 計量學; 科氏質量流量計; 振幅; 零點漂移; 誤差; 質量流量計
1.引 言
科里奧利質量流量計( 科氏質量流量計) 可以直接測量質量流量，測量精度高、重復性好，具有廣闊的應用前景。科氏質量流量計由一次儀表和變送器組成，工作時，變送器中的驅動系統驅動流量管振動，當流體流過時，流量管發生扭曲振動，根據上下游 2 個速度傳感器拾取到的2路振動信號計算相位差，從而得到質量流量。由于受到加工制造工藝限制和不合理安裝等因素的影響，流量管的上下游振動不對稱，使得在滿管零流量時，2 路速度傳感器信號存在相位差，即零點。流量管上下游振動狀態的改變會導致零點不穩定，引起零點漂移，而零點漂移是影響科氏質量流量計測量精度的重要因素。
目前，學者們深入研究了科氏質量流量計的零點漂移問題，認為零點漂移與一次儀表密切相關。 KolahiK等認為零點由一次儀表振動系統不對稱引起的，而且不對稱的變化會導致零點漂移。任建新等研究了激振器位置不對稱、速度傳感器位置不對稱、流量管的體積及附加質量的不對稱等因素對零點的影響，認為一次儀表的振子不平衡導致了零點漂移。Enza S等研究了流量管缺陷對零點的影響，認為軸向非對稱分布阻尼引起的零點漂移與流量引起的相移具有相同的數量級，而軸向對稱分布阻尼引起的零點漂移則小 1 個數量級。 Wang L等研究了溫度變化對零點的影響，根據4 組對照實驗結果，認為溫度變化引起零點漂移主要與一次儀表有關，與變送器無關，并認為電磁激振器的振動阻尼和速度傳感器的非對稱阻尼會隨著溫度變化而變化，從而引起零點漂移。Yaushev A A 等研究了傳感器的安裝和外部振動干擾對零點漂移的影響，認為安裝銜接段的直管道長度會影響耦合流量計-管道系統的振動模態，當振動模態的頻率與驅動頻率相等時，會發生嚴重的零點漂移，同時，接近驅動頻率的外部振動干擾也會引起很大的零點漂移。這些研究了一次儀表的結構和阻尼不對稱、儀表安裝對零點的影響，以及環境溫度變化和外界振動干擾引起的零點漂移問題。然而，在實際應用中，流量管振幅的變化也會引起零點漂移，從而引入測量誤差。但是，目前未見相關研究的報道。
為此，本文研究科氏質量流量計的振幅與零點的關系，分析振幅改變引起零點漂移的機理，首先分析流量管在滿管零流量下的彎曲振動狀態，通過簡化模型和理論推導，建立零點與流量管振幅的理論關系; 然后，通過采集傳感器放大信號，采用過零檢測算法計算不同振幅下的零點，建立零點與振幅的關系曲線，實驗驗證理論推導的結果。*后，結合檢定規程和計算結果，分析振幅不穩定所引起的零點漂移對測量精度的影響，并據此提出減小零點漂移的措施，確保科氏質量流量計實現高精度測量。
2.理論推導
以科氏質量流量計中經典的U型流量管為研究對象，根據簡化模型，建立流量管的彎曲振動方程，求解流量管在驅動力F激勵下的穩態響應，得到2個檢測點(速度傳感器所在位置)的位移響應，并結合流量管的幅頻特性，建立流量管振動幅值與相位差之間的理論關系。
在單相水滿管零流量時，流量管內水處于相對靜止狀態，科氏力ΔFc=0。因此，可把等截面流量管的直管段簡化成長度為l的歐拉-伯努利梁方程，根據梁在自由振動狀態下的彎曲振動方程，求取固有頻率和振型函數。
3 實驗驗證
為了驗證理論推導結果，在科氏質量流量計標定實驗裝置上，采集不同振幅下的滿管零流量時的傳感器信號，用Matlab編寫過零檢測算法，計算零點相位差，建立零點與振幅之間關系的曲線。
3.1實驗裝置
科氏質量流量計標定裝置由重慶耐德工業股份有限公司定制，由水路通道、氣路通道、上位機和PLC 控制柜等組成，原理框圖如圖 1所示。水路通道包括保溫水箱、水泵、穩壓罐、混合器、被測科氏質量流量計、一次儀表模型、換向器、電子秤、閥門、壓力表和管道等; 氣路通道包括空壓機、氣體流量計等。其中，被測科氏質量流量計由艾默生公司的 Micro Motion DN 25Ω 型科氏質量流量傳感器( 簡稱艾默生 DN25) 與本課題組研制
3.2信號采集
為了驗證理論推導的結果，即零點與振幅成線性關系，在滿管零流量狀態下，采集不同振幅下的2路傳感器放大信號。
信號采集具體步驟如下:
1)將變送器匹配艾默生 DN25 傳感器。
2)開啟標定實驗裝置，把流量調節到*大120kg/min。變送器上電，預熱30min 后，關閉相應閥門使艾默生DN25處于滿管零流量狀態。
3) 調節電路參數，使得振幅為設定值、傳感器放大信號峰峰值為 4.3 V(ADC量程的80% ) 。
4) 用泰克MDO3024示波器采集兩路傳感器放大信號，采樣頻率為 5 kHz，采樣點數為 105。
5) 依次更換振幅設定值，根據步驟3)調整振幅，依次采集不同振幅時的傳感器放大信號，同一振幅采集3組數據。
3.3 零點計算
編寫過零檢測算法，計算零點相位差。首先，通過構造兩路具有相位差的標準正弦信號測試算法的精度，當精度滿足要求后，利用編寫的算法計算不同振幅下采集的傳感器信號零點相位差，建立振幅和零點之間關系的曲線。
4.測量誤差分析
在從理論推導和實驗驗證兩方面證明了科氏質量流量計零點相位差與振幅大小成線性關系的基礎上，本節首先采集不同振幅、不同流量下的信號，采用過零檢測算法計算對應的相位差。然后，依據科氏質量流量計檢定規程，分析零點漂移引入測量誤差的機理。*后，根據科氏質量流量計零點相位差與振幅的線性關系，定量分析在標定過程中由振幅改變引起的零點漂移所引入的測量誤差大小。
結 論
1) 在滿管零流量下，通過流量管的簡化模型，建立流量管的彎曲振動方程，根據流量管在驅動力激勵下的穩態響應，推導兩檢測點的位移響應，并結合流量管的幅頻特性，得到零點與振幅之間的線性關系。
2) 在標定實驗裝置上采集不同振幅、滿管零流量下的兩路傳感器放大信號，編寫過零檢測算法計算不同振幅下的零點相位差，建立零點相位差與振幅之間關系的直線，實驗驗證零點與振幅的線性關系。
3) 結合科氏質量流量計的檢定規程和不同振幅、不同流量下兩路傳感器放大信號的相位差，定性分析零點不準確引入測量誤差的規律，然后定量分析由振幅引起的零點漂移導致的測量誤差，*后針對性地提出避免零點漂移的措施。
