CN103278204A - 科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器 - Google Patents

Abstract

科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器，包括：矩形测量管、第一测量管接头、第二测量管接头、激振器、第一检测器、第二检测器、固定块、第一引压口、第二引压口、安装底板、入口管和出口管。本发明采用矩形测量管的科氏效应直接测量出微小质量流量，同时，矩形测量管的谐振频率变化能反映出流体的实时密度信息。流体在管道中流动存在差压效应，利用外接的微差压传感器检测的进口端与出口端的流体压力差能解算出微小体积流量，根据测得的实时流体密度，间接得到质量流量。本发明在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比，应用在生物医学、化学、食品、制药等具有宽量程微小流量测量需求的领域。

Description

科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器

技术领域

本发明涉及一种微小质量流量传感器，将科氏效应与差压效应相融合，在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比，属于测试计量仪表领域，用于直接高精度测量微小质量流量。

背景技术

流量测量仪表是生产、节约能源、改进产品质量、提高经济效益的重要工具，在国民经济中占有重要的地位。广泛应用于石油、化工、天然气、环保、医药、卫生、食品、贸易结算、各种机器设备等各个领域。同时，随着生物、医疗、食品卫生、微量化学等领域的发展，这些行业对小流量的精确测量和控制提出严格要求，因而推动了微小流量测量技术的快速发展。

科氏质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter，CMF)以其直接测量质量流量的卓越优点受到广泛的关注，其高精度、高可靠性和稳定性使得CMF在工业中得到越来越多的应用。CMF利用流体流过振动管道时产生的科氏效应对管道两端振动信号相位或幅度的影响来测量流过管道的流体质量，同时，通过振动管谐振频率的变化可以测量流体的密度，是一种高性能、多参数测量的谐振式传感器。

国外对CMF的研究起步较早，主要的研究重点集中在测量管结构设计、建立模型分析、振动分析与抑制、数字信号处理单元、试验验证等方面，在微小流量测量方面也有相应的产品问世。如美国Micro Motion公司生产的LF系列科氏质量流量传感器可在0.001～27kg/h的范围内对滴状液体、浆料和气体进行质量流量测量，测量精度可达±0.5%；德国西门子公司生产的MASS2100系列的科氏质量流量计可实现点滴流量测量，管径可达到1.5mm，质量流量测量范围0～65kg/h，测量误差小于0.1%；德国E+H公司的Promass80A/83A质量流量传感器，适用于小流量装料和批量控制的连续测量，常用于添加剂和芳香剂、香水、去离子水、胰岛素、粘合剂等小流量的测量，测量精度可达±0.1%。此外，国外有些高校利用MEMS加工工艺研制出微型科氏质量流量传感器，测量范围更为微小，极大扩展了CMF的应用范围。

国内开展CMF的技术研究比国外晚二十多年，目前，市面上可获得的具有一定市场份额的主要是口径为DN5～DN100的大中型质量流量计，在小口径、微流量领域的研究和开发相对缓慢。例如，太原太航流量工程有限公司的传感器口径最小只能做到Φ3；北京首科实华自动化设备有限公司的DMF-1-1-AB型号的质量流量传感器通径为1.5mm，流量测量范围为0～4kg/h。但测量精度和稳定性方面与国外产品相比具有一定的差距。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器，将科氏效应测量方法与差压检测方法相融合，在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比，实现对微小质量流量的高精度宽量程测量。

本发明的技术解决方案：科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器，包括：矩形测量管1、第一测量管接头2、第二测量管接头3、激振器4、第一检测器5、第二检测器6、固定块7、第一引压口8、第二引压口9、安装底板10、入口管11和出口管12；入口管11与出口管12对称安装于固定块7正面两端；矩形测量管1两端接口分别焊接第一测量管接头2和第二测量管接头3，第一测量管接头2和第二测量管接头3分别安装在固定块7的入口15和出口16上，固定块7通过螺栓固定在安装底板10上；固定块7上表面两端对称分布有第一引压孔13和第二引压孔14，用于焊接第一引压口8和第二引压口9，分别将入口管11与出口管12的流体介质压力引入到外接的微差压传感器；

矩形测量管1包括入口直管段18、中间直管段19和出口直管段20，入口直管段18与中间直管段19之间采用第一平滑圆弧段21过渡，中间直管段19与出口直管段20之间采用第二平滑圆弧段22过渡，以尽量减小压损；

激振器4采用电磁激励方式，由平面线圈24与饼状永久磁铁25同轴配合使用，其中平面线圈24通过线圈骨架支架23安装在安装底板10上，饼状永久磁铁25则通过磁铁支撑骨架26固定在矩形测量管1中间直管段19的中心轴线位置，饼状永久磁铁25的质量要求尽量小，从而减小附加质量的影响，但过小会使得激励效率降低；

第一检测器5、第二检测器6采用磁电检测方式，每个检测器由平面线圈24与饼状永久磁铁25同轴配合使用。第一检测器5位于所述圆弧管段21上的中间位置，第二检测器6位于所述圆弧管段22上的中间位置。平面线圈24通过线圈骨架支架23安装在安装底板10上，饼状永久磁铁25则通过磁铁支撑骨架26安装在矩形测量管1上，组成磁电式速度传感器。

所述固定块7与安装底板10大于矩形测量管1的质量，以减小或消除外界耦合到测量管的振动干扰。

本发明的原理：流体流过测量管之前，在激励器的激励下，测量管以其谐振频率振动，此时，两端对称的检测器检测到的正弦信号相位和幅值完全相同，且传感器流体入口与出口处检测到的压力也完全相等（为0）。一旦流体流过传感器，出现科氏效应，测量管两端由于力偶的影响会受到大小相等，方向相反的科氏力，导致检测器检测到的正弦信号具有相位差，该相位差反映了流体的质量流量大小。同时，由于测量管充满了流体，使得谐振频率发生改变，谐振频率的变化则反映了流体的实时密度信息。另外，根据流体力学可知，传感器入口与出口处之间必然有压力差，该压力差反映了流过的流体体积流量，结合实时测得的密度信息，即可间接获得瞬时的质量流量。在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比。

本发明与现有技术相比的优点：

（1）本发明将科氏效应质量流量检测方法与差压检测方法相结合，即同时使用直接质量流量检测方法与间接质量流量检测方法进行质量流量测量，在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比，满足行业对微小质量流量的高精度宽量程测量要求；

（2）本发明采用了单管型，加工简单、成本较低，不存在双管型流量传感器中由于分流器分流不均带来的测量管振动干扰，同时，制作过程中，也不存在双管型流量传感器的两根测量管不完全对称带来的振动状态不对称的问题，因而传感器自身引入的干扰较小，有利于后续流量信号的解算，提高传感器的整体性能。

附图说明

图1为本发明的科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器结构示意图；

图2为本发明的科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器结构上视图；

图3为本发明的科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器结构后视图；

图4为本发明的固定块的机械结构示意图；

图5为本发明的矩形测量管的机械结构示意图；

图6为本发明的激振器和检测器结构示意图；

图7为现有的典型双U形管CMF系统结构图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的微小质量流量传感器包括一根矩形测量管1，第一测量管接头2、第二测量管接头3，激振器4，第一检测器5、第二检测器6，测量管固定块7，第一引压口8、第二引压口9，安装底板10，入口管11，出口管12。

如图2、图4所示，科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器，入口管11与出口管12对称安装于固定块7侧面两端。矩形测量管1两端分别焊接着第一测量管接头2和第二测量接头3，第一测量管接头2和第二测量接头3则分别安装在固定块7的入口15和出口16上，固定块7通过螺栓牢牢固定在安装底板10上，固定块7与安装底板10相对于矩形测量管1的质量较大，以减小或消除外界耦合到矩形测量管1的振动干扰。如图5所示，矩形测量管1的入口直管段18与中间直管段19之间采用第一平滑圆弧段21过渡，中间直管段19与出口直管段20之间采用第二平滑圆弧段22过渡，尽量减小压损。

如图3、图6所示，激振器4采用电磁激励方式，由平面线圈24与饼状永久磁铁25同轴配合使用，其中平面线圈24通过线圈骨架支架23安装在安装底板10上，饼状永久磁铁25则通过磁铁支撑骨架26固定在矩形测量管1中间直管段19的中心轴线位置。饼状永久磁铁25的质量要求尽量小，从而减小附加质量的影响，但过小会使得激励效率较低；

如图3、图6所示，两个检测器5、6采用磁电检测方式，由平面线圈24与饼状永久磁铁25同轴配合使用。第一检测器5位于所述圆弧管段21上的中间位置，第二检测器6位于所述圆弧管段22上的中间位置。平面线圈24通过线圈骨架支架23安装在安装底板10上，饼状永久磁铁25则通过磁铁支撑骨架26安装在矩形测量管1上，组成一个磁电式速度传感器。当矩形测量管1振动时，饼状永久磁铁25随着矩形测量管1振动，平面线圈24切割饼状永久磁铁25的磁感应线，产生感应电动势，振动速度越大，感应电动势越大，第一检测器5和第二检测器6输出的信号幅值也越大。

在激振器4激励下，矩形测量管1以其固有频率振动，位于矩形测量管1两端的第一检测器5和第二检测器6（检测器为电磁检测器）检测出两路振动信号，两路信号的相位差与矩形测量管1的扭转度成正比。通过计算这些信号间的相位差，可计算出瞬时质量流量。

矩形测量管1的管材一般采用316L不锈钢、钛、哈氏合金及其它材质的管材，本发明对管材的要求不高，因此可以采用价格低廉的316L不锈钢管。矩形测量管1与固定块7之间使用钎焊的方式进行焊接。

如图4所示，固定块7上表面两端对称分布有第一引压孔13和第二引压孔14，用于安装第一引压口8和第二引压口9，以便将传感器入口管11与出口管12之间的流体压力引入到外接的微差压传感器，从而得到流体压力差，此压力差与流体的体积流量呈单调函数关系，根据此压力差，可以确定流体的体积流量。

图7展示了典型双U形管科氏质量流量计的组成结构。科氏质量流量计主要包含传感器敏感单元a及二次仪表b，其中传感器敏感单元a由测量管a1、测量管a2、激振器a5、拾振器a3和拾振器a4组成，二次仪表b包含闭环控制单元b1及流量解算单元b2。闭环控制单元b1用于维持传感器敏感单元a的测量管a1和测量管a2以其固有谐振频率持续振动，流量解算单元b2实时检测传感器敏感单元a的拾振器a3和拾振器a4输出的信号，通过计算两路信号的相位差实现流量解算，最终输出测量结果c。

测量管a1和测量管a2在闭环控制单元b1的控制下作一阶弯曲主振动，建立传感器的工作点。当管内流过质量流量时，由于科氏效应的作用，使U形管产生关于中心对称轴的一阶扭转“副振动”，该“副振动”直接与所流过的“质量流量（kg/s）”成比例。通过检测拾振器a3和拾振器a4输出信号的时间差（或相位差）即可直接得到流体的质量流量。对应关系为：

Q_m＝K₁Δt_a3a4   (1)

式中：

Q_m——被测流体质量流量，kg/s

K₁——与测量管的形状、尺寸、材料等有关的系数，通过实际标定确定，kg/s²

Δt_a3a4——拾振器a₃与拾振器a₄输出信号的时间差，s

同时，当管内充满被测流体时，测量管等效质量发生改变，故谐振频率也会发生偏移，此频率偏移能反映出流体密度大小。对应关系如下：

${\mathrm{\ρ}}_m=K_2(\frac{f_0^2}{f_m^2}-1)---\left(2\right)$

式中：

ρ_m——被测流体密度，kg/m³

K₂——与测量管的形状、尺寸、材料和附加质量等有关的系数，通过实际标定确定，kg/m³

f₀——测量管空管时的谐振频率，Hz

f_m——测量管充满被测流体时的谐振频率，Hz

流体在测量管中流动，由于与管壁的摩擦造成压力下降，在测量管两端会存在压力差，此压力差与流量大小成比例，对应关系如下：

$Q_V=\frac{\mathrm{\π}{d}^4}{128\mathrm{\μl}}\mathrm{\ΔP}---\left(3\right)$

式中：

Q_V——被测流体的体积流量，m³/s

d——测量管的内径，m

ΔP——测量管入口与出口的压差，Pa

μ——被测流体的动力粘度，Pa·s

l——测量管总长度，m

由于受测量管尺寸及测量方法的限制，科氏效应测量流量的范围有限，在小流量情况下精度较高，当被测流体流量较大时，可以采用差压效应进行流量测量，因此，将两种方法结合，可扩大流量测量的量程。

本发明的工作过程：当流体未流过传感器时，激振器激励矩形测量管以其固有频率振动，此时，矩形测量管入口侧与出口侧的两个检测器检测到的正弦信号频率与相位完全相同，相位差为0.此时，由于测量管为空管，矩形测量管的谐振频率为密度基准频率，即无流体时的频率，实时密度为0.入口端与出口端的流体压力差也为0，因此，测得的流体质量流量为0.当流体流过传感器，首先，矩形测量管内流体的流动引发科氏效应的出现，矩形测量管两端由于力偶的影响受到大小相等方向相反的科氏力，表现为两个检测器检测到的正弦信号之间具有相位差，通过检测此相位差大小即可得到流体的实时质量流量。同时，由于矩形测量管内充满液体，必然使得等效质量发生改变，因而谐振频率发生偏移，此偏移量指示了流体的实时密度。另外，传感器的引压管两端的流体之间存在压力差，此压力差与流体的实时体积流量成比例关系。结合流体的密度，间接测得流体的质量流量。在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比。

总之，本发明结合了科氏效应测量法与差压流量测量法，采用矩形测量管的科氏效应直接测量出微小质量流量，同时，矩形测量管的谐振频率变化能反映出流体的实时密度信息。流体在管道中流动存在差压效应，利用外接的微差压传感器检测的进口端与出口端的流体压力差能解算出微小体积流量，根据测得的实时流体密度，间接得到质量流量。在不同的流量范围使用不同的测量方法，从而极大扩展量程比。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (2)

1.科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器，其特征在于包括：矩形测量管（1）、第一测量管接头（2）、第二测量管接头（3）、激振器（4）、第一检测器（5）、第二检测器（6）、固定块（7）、第一引压口（8）、第二引压口（9）、安装底板（10）、入口管（11）和出口管（12）；入口管（11）与出口管（12）对称安装于固定块（7）正面两端；矩形测量管（1）两端接口分别焊接第一测量管接头（2）和第二测量管接头（3），第一测量管接头（2）和第二测量管接头（3）分别安装在固定块（7）的入口（15）和出口（16）上，固定块（7）通过螺栓固定在安装底板（10）上；固定块（7）上表面两端对称分布有第一引压孔（13）和第二引压孔（14），用于焊接第一引压口（8）和第二引压口（9），分别将入口管（11）与出口管（12）的流体介质压力引入到外接的微差压传感器；

所述矩形测量管（1）包括入口直管段（18）、中间直管段（19）和出口直管段（20），入口直管段（18）与中间直管段（19）之间采用第一平滑圆弧段（21）过渡，中间直管段（19）与出口直管段（20）之间采用第二平滑圆弧段（22）过渡，以尽量减小压损；

所述激振器（4）采用电磁激励方式，由平面线圈（24）与饼状永久磁铁（25）同轴配合使用，其中平面线圈（24）通过线圈骨架支架（23）安装在安装底板（10）上，饼状永久磁铁（25）则通过磁铁支撑骨架（26）固定在矩形测量管（1）中间直管段（19）的中心轴线位置，饼状永久磁铁（25）的质量要求尽量小，从而减小附加质量的影响，但过小会使得激励效率降低；

所述第一检测器（5）、第二检测器（6）采用磁电检测方式，每个检测器由平面线圈（24）与饼状永久磁铁（25）同轴配合使用；第一检测器（5）位于所述圆弧管段（21）上的中间位置，第二检测器（6）位于所述圆弧管段（22）上的中间位置；平面线圈（24）通过线圈骨架支架（23）安装在安装底板（10）上，饼状永久磁铁（25）则通过磁铁支撑骨架（26）安装在矩形测量管（1）上，组成磁电式速度传感器。

2.根据权利要求1所述的科氏效应与差压效应融合的微小质量流量传感器，其特征在于：所述固定块（7）与安装底板（10）大于矩形测量管（1）的质量，以减小或消除外界耦合到测量管的振动干扰。

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