周杰ZHOU Jie；范佩佩FAN Pei-pei；于苗YU Miao；白永恒BAI Yong-heng

（西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司，西安 710077）

1 科利奥利质量流量计的结构分析

质量流量计间接式测量的原理既需要测量流体的体积流量Q 值又需要测其密度值ρ，然后通过运算放大器计算从而才能得到流体的质量，也可以通过测量流体温度T、压力P、密度ρ 之间的关系计算出流体的质量[2]。直接测量法较相对测量法而言比较直观，可以直接获得流体的质量流量值，所以由于直接式测量的简便性、高可靠性、和准确性而备受用户的青睐广泛用于各种复杂的环境中。

CMF 一般分为两个部分流量传感器和流量变送器。流量传感器的原理是基于Coriolis 效应上相位差检测型传感器，其结构主要由振动管和相位差信号检测器两部分组成，如图1、图2 所示。

CMF 的逻辑计算处理系统是微处理器。变送器将动力参数传递给传感器，也可直接将传感器中的信号转化为质量流量信号qm。传感器根据温度T 参数、调节密度ρ 等参数，具有良好的鲁棒性，按照上位机规定的通讯协议，流量变送器与上位机进行交互。

2 CMF 流量计对于高粘度气体测量的原理分析

Coriolis 力的概念解释为，有一质点在旋转体系中直线运动，但由于惯性的作用该质点的运动轨迹产生了直线偏移，此时该质点上有向心力和Coriolis 力同时起作用。CMF 流量计检测器中含有电磁驱动系统，在该系统的作用下测量管产生频率为f 的振动，此时的参照系为传动参照系。当位于旋转体内的质点在旋转中心做靠近或原理的运动时，就会产生一种惯性力[3]。

CMF 的基本原理如图3 所示，流动体中的质点m 在旋转的振动管中移动，振动管以固定的角速度ω 绕O 点旋转。此时该运动的质点会有一个沿着法线方向的向心力作用于质点上，向心力Fr=ω2r·Δm 和沿切线方向对管壁的作用力Fc=2ωV·Δm 这就是科氏力，V 是该质点运动的经向速度、Δm 为质点的质量。由以上两式得到在ω 不变时，科氏力F 与V 成正比，由此可得通过测量旋转管道内流体所具有的Coriolis 力便可直接获得被测体的质量流量参数。

以图4 中的U 型振动管为例，对科里奥质量流量计的测量原理进行详细具体分析，如图4 所示有一振动的测量管，由于振动的作用使得管中的流体受到由振动带来的垂直动量，当U 型管向上运动时由于惯性力，流入管内的流体产生一个向下的压力，流出U 型管内流体会产生一个向上的力，两个力的合力使得流量测量管产生扭曲现象如图4 所示。

从图5 可得，当测量管中有流体经过时，流体中有一质点质量为m 速度为V，以O-O 轴线做角速度为ω 的旋转运动时，该质点的Coriolis 力可表示为：

上式中F 和ω 为矢量，半管中流体的质量为m。流入口和流出口流体的速度矢量在方向上是相反的，以R-R轴从U 型管尾端将其划分为两根线，在U 型管中的流体的出入口线上产生了两个力F1和F2，F1和F2都是矢量力，他们的模相等，同为反向。在U 型管以O-O 为轴心振动时，F1和F2将相对R-R 轴产生一个直径为2r 的振动力矩M，此力矩的计算公式如下所示：

由于F1=F2，r1=r2由式子（1）和（2）得出：

图6 所示，U 型管在M 的作用下，产生了角度为θ 的扭转角，θ 的最大值出现在振动管的中点位置处。

由于U 型测量管得扭矩T 受到其管子自身的弹力K的约束，因此T 可由（5）式表示：

因为扭矩和力矩相等，因此由式（4）、（5）可得：

由于扭转角θ 可由U 型管轴线中心线速度Vt和时间间隔Δt 的乘积来表示：

因为扭转角很小，所以θ≈sinθ，对于小的θ 值可得V=ωL 这样式（7）变成：

综合式（6）和（8）得出：

由上式可得qm只和Δt 与常数成正比，与其他参数无关。如图7 所示，在测量管的中轴线上横穿一感应器，通过时间函数t()来过得扭转角，如果t()中测量管中无流体流过，则扭转角θ=0。θ 和时间函数随增量Δt 和U 型管中流体的流量成正比。时间函数增量是通过安装在U 型管端部的位移监测器检测到参变量的相位差而得到的。

3 CMF 流量计的信号处理分析

流量传感器工作必须基于测量管一直处于谐振状态。电磁感应器的检测线圈分别置于一个测量管的两侧对称位置上，在另外一个管上相对的位置固定两块永磁铁，根据电磁感应原理可知U 型管在检测线圈回路中在相对速度的作用下两块磁铁产生交变感应电动势，通过感应电动势差即可获得相位差的变化。

以微电子为核心的U 型管质量流量计的原理框图如图8 所示，U 型管左右两侧电磁式传感器L、R 测的得正弦电压信号通过本质安全栅到放大器A1和A2进行放大，左侧A2放大后的信号经过驱动器放大后得到放大后的电流信号，该放大后的电流信号使得管子内线圈产生振荡。管子的振荡信号又送入信号检测器，整个检测系统形成一个正反馈回路，使系统始终保持振荡状态。经过放大器A2放大后的信号u2输送给AGC 电路，AGC 电路中的基准电平信号和u2信号进行实时对比使得线圈的振幅始终维持固定的值。经过放大后的u1和u2信号通过信号处理电路，产生Δt，Δt 和qm为线性关系。微处理器根据Δt 和信号频率f，计算出和qm。

4 影响CMF 测量准确度的因素

虽然CMF 采用直接测量的方法，避免了中间环节带来的误差干扰，较为简便直观准确度高，但是在实际应用中CMF 的测量误差较大甚至可达20%。根据分析，影响CMF 测量准确度的因素主要分为五个方面：系统压力、流量范围、流场分布、零点稳定度以及周边环境[4]。

4.1 系统压力的影响

系压力分为安装压力和背压。由于CMF 内含有谐振式装置，因此在谐振的过程中会受到如上文所述的扭力和弯曲弹力的作用力，这些力随着工作温度和系统压力的变化而变化，会影响测量的准确性，可采用稳固的支撑或膨胀节来改善。为防止测量体中有气浊产生，需保证管线中传感器的背压足够，如果背压不足则会造成测量误差较大更甚至损坏测量管，可通过在管线中安装背压调节器来改善。

4.2 流量范围的影响

CMF 的零点稳定性对下限流量的测量准确度影响较大，越接近流量上限，零点稳定性对准确度的影响越小，适当提高流量将有助于提高测量准确度。

4.3 流场分布的影响

由式（9）可知CMF 质量流量计不受管型长短的影响，因此不受流量分布场的影响，但在实际的使用时，当流场变化很迅速时，会影响测量的准确度。因此在安装CMF时，应根据所测气体的特性来决定传感器的安装位置。

4.4 零点稳定度的影响

CMF 在实际的使用中时常会遇到零点漂移的状况，零点漂移对测量误差影响较大。CMF 的安装应力和测量管道的结构等都会导致零点漂移。因此建议做定期的零点检测和调整。

4.5 周边环境的影响

周边环境的影响主要分为电磁干扰和射频干扰、振动两类。电磁和射频会干扰核心处理器和检测器的运算结果，可通过安装电磁屏蔽罩来抵抗干扰。振动则会影响传感器，因此CMF 在安装时应尽量避免和振动源近距离接触。

5 CMF 流量计对于高粘度气体测量的应用优势

CMF 具有测量精度高，测量参数广即可测量高粘度流体的瞬时qm和累计总质量，也可体现流体的、T 等参数可计算得溶液的容值所含浓度C。CMF 不仅可测量高粘度液体还可测量双向流液体等，且能指出流向和qm等参数，且具有结构简洁，高可靠性等，参量参数直观等优异特征，这是其他仪表无法实现的。由于CMF 优异的流量测量方法及应用优势，其在半导体工业生产制程所用的高粘度气体、流体测量应用中，将会发挥越来越大的作用，对于国内高粘度流量测量工业技术能力，带来较大的进步与提升。