摘要: 针对科里奥利质量流量计振幅改变引起零点漂移的问题，首先通过简化模型建立流量管的弯曲振动方程，求解两检测点的位移响应，得到零点相位差与振幅之间的线性关系; 然后采集不同振幅下的传感器放大信号，编写过零检测算法，计算零点相位差，建立零点与振幅之间关系的直线，实验验证零点与振幅的线性关系; *后结合检定规程和零点计算结果，定性和定量地分析振幅改变引入的零点漂移导致的测量误差，结果表明，振幅改变越大，引入的测量误差越大，当流量为10kg/min 时，振幅改变10mV引入的测量误差达 0.727% 。
关键词: 计量学; 科氏质量流量计; 振幅; 零点漂移; 误差; 质量流量计
1.引 言
科里奥利质量流量计( 科氏质量流量计) 可以直接测量质量流量，测量精度高、重复性好，具有广阔的应用前景。科氏质量流量计由一次仪表和变送器组成，工作时，变送器中的驱动系统驱动流量管振动，当流体流过时，流量管发生扭曲振动，根据上下游 2 个速度传感器拾取到的2路振动信号计算相位差，从而得到质量流量。由于受到加工制造工艺限制和不合理安装等因素的影响，流量管的上下游振动不对称，使得在满管零流量时，2 路速度传感器信号存在相位差，即零点。流量管上下游振动状态的改变会导致零点不稳定，引起零点漂移，而零点漂移是影响科氏质量流量计测量精度的重要因素。
目前，学者们深入研究了科氏质量流量计的零点漂移问题，认为零点漂移与一次仪表密切相关。 KolahiK等认为零点由一次仪表振动系统不对称引起的，而且不对称的变化会导致零点漂移。任建新等研究了激振器位置不对称、速度传感器位置不对称、流量管的体积及附加质量的不对称等因素对零点的影响，认为一次仪表的振子不平衡导致了零点漂移。Enza S等研究了流量管缺陷对零点的影响，认为轴向非对称分布阻尼引起的零点漂移与流量引起的相移具有相同的数量级，而轴向对称分布阻尼引起的零点漂移则小 1 个数量级。 Wang L等研究了温度变化对零点的影响，根据4 组对照实验结果，认为温度变化引起零点漂移主要与一次仪表有关，与变送器无关，并认为电磁激振器的振动阻尼和速度传感器的非对称阻尼会随着温度变化而变化，从而引起零点漂移。Yaushev A A 等研究了传感器的安装和外部振动干扰对零点漂移的影响，认为安装衔接段的直管道长度会影响耦合流量计-管道系统的振动模态，当振动模态的频率与驱动频率相等时，会发生严重的零点漂移，同时，接近驱动频率的外部振动干扰也会引起很大的零点漂移。这些研究了一次仪表的结构和阻尼不对称、仪表安装对零点的影响，以及环境温度变化和外界振动干扰引起的零点漂移问题。然而，在实际应用中，流量管振幅的变化也会引起零点漂移，从而引入测量误差。但是，目前未见相关研究的报道。
为此，本文研究科氏质量流量计的振幅与零点的关系，分析振幅改变引起零点漂移的机理，首先分析流量管在满管零流量下的弯曲振动状态，通过简化模型和理论推导，建立零点与流量管振幅的理论关系; 然后，通过采集传感器放大信号，采用过零检测算法计算不同振幅下的零点，建立零点与振幅的关系曲线，实验验证理论推导的结果。*后，结合检定规程和计算结果，分析振幅不稳定所引起的零点漂移对测量精度的影响，并据此提出减小零点漂移的措施，确保科氏质量流量计实现高精度测量。
2.理论推导
以科氏质量流量计中经典的U型流量管为研究对象，根据简化模型，建立流量管的弯曲振动方程，求解流量管在驱动力F激励下的稳态响应，得到2个检测点(速度传感器所在位置)的位移响应，并结合流量管的幅频特性，建立流量管振动幅值与相位差之间的理论关系。
在单相水满管零流量时，流量管内水处于相对静止状态，科氏力ΔFc=0。因此，可把等截面流量管的直管段简化成长度为l的欧拉-伯努利梁方程，根据梁在自由振动状态下的弯曲振动方程，求取固有频率和振型函数。
3 实验验证
为了验证理论推导结果，在科氏质量流量计标定实验装置上，采集不同振幅下的满管零流量时的传感器信号，用Matlab编写过零检测算法，计算零点相位差，建立零点与振幅之间关系的曲线。
3.1实验装置
科氏质量流量计标定装置由重庆耐德工业股份有限公司定制，由水路通道、气路通道、上位机和PLC 控制柜等组成，原理框图如图 1所示。水路通道包括保温水箱、水泵、稳压罐、混合器、被测科氏质量流量计、一次仪表模型、换向器、电子秤、阀门、压力表和管道等; 气路通道包括空压机、气体流量计等。其中，被测科氏质量流量计由艾默生公司的 Micro Motion DN 25Ω 型科氏质量流量传感器( 简称艾默生 DN25) 与本课题组研制
3.2信号采集
为了验证理论推导的结果，即零点与振幅成线性关系，在满管零流量状态下，采集不同振幅下的2路传感器放大信号。
信号采集具体步骤如下:
1)将变送器匹配艾默生 DN25 传感器。
2)开启标定实验装置，把流量调节到*大120kg/min。变送器上电，预热30min 后，关闭相应阀门使艾默生DN25处于满管零流量状态。
3) 调节电路参数，使得振幅为设定值、传感器放大信号峰峰值为 4.3 V(ADC量程的80% ) 。
4) 用泰克MDO3024示波器采集两路传感器放大信号，采样频率为 5 kHz，采样点数为 105。
5) 依次更换振幅设定值，根据步骤3)调整振幅，依次采集不同振幅时的传感器放大信号，同一振幅采集3组数据。
3.3 零点计算
编写过零检测算法，计算零点相位差。首先，通过构造两路具有相位差的标准正弦信号测试算法的精度，当精度满足要求后，利用编写的算法计算不同振幅下采集的传感器信号零点相位差，建立振幅和零点之间关系的曲线。
4.测量误差分析
在从理论推导和实验验证两方面证明了科氏质量流量计零点相位差与振幅大小成线性关系的基础上，本节首先采集不同振幅、不同流量下的信号，采用过零检测算法计算对应的相位差。然后，依据科氏质量流量计检定规程，分析零点漂移引入测量误差的机理。*后，根据科氏质量流量计零点相位差与振幅的线性关系，定量分析在标定过程中由振幅改变引起的零点漂移所引入的测量误差大小。
结 论
1) 在满管零流量下，通过流量管的简化模型，建立流量管的弯曲振动方程，根据流量管在驱动力激励下的稳态响应，推导两检测点的位移响应，并结合流量管的幅频特性，得到零点与振幅之间的线性关系。
2) 在标定实验装置上采集不同振幅、满管零流量下的两路传感器放大信号，编写过零检测算法计算不同振幅下的零点相位差，建立零点相位差与振幅之间关系的直线，实验验证零点与振幅的线性关系。
3) 结合科氏质量流量计的检定规程和不同振幅、不同流量下两路传感器放大信号的相位差，定性分析零点不准确引入测量误差的规律，然后定量分析由振幅引起的零点漂移导致的测量误差，*后针对性地提出避免零点漂移的措施。
