一種應(yīng)用于高粘度氣體的科里奧利質(zhì)量流量控制器的研究

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

（西安派瑞功率半導(dǎo)體變流技術(shù)股份有限公司，西安 710077）

1 科利奧利質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)分析

質(zhì)量流量計(jì)間接式測(cè)量的原理既需要測(cè)量流體的體積流量Q 值又需要測(cè)其密度值ρ，然后通過運(yùn)算放大器計(jì)算從而才能得到流體的質(zhì)量，也可以通過測(cè)量流體溫度T、壓力P、密度ρ 之間的關(guān)系計(jì)算出流體的質(zhì)量[2]。直接測(cè)量法較相對(duì)測(cè)量法而言比較直觀，可以直接獲得流體的質(zhì)量流量值，所以由于直接式測(cè)量的簡便性、高可靠性、和準(zhǔn)確性而備受用戶的青睞廣泛用于各種復(fù)雜的環(huán)境中。

CMF 一般分為兩個(gè)部分流量傳感器和流量變送器。流量傳感器的原理是基于Coriolis 效應(yīng)上相位差檢測(cè)型傳感器，其結(jié)構(gòu)主要由振動(dòng)管和相位差信號(hào)檢測(cè)器兩部分組成，如圖1、圖2 所示。

CMF 的邏輯計(jì)算處理系統(tǒng)是微處理器。變送器將動(dòng)力參數(shù)傳遞給傳感器，也可直接將傳感器中的信號(hào)轉(zhuǎn)化為質(zhì)量流量信號(hào)qm。傳感器根據(jù)溫度T 參數(shù)、調(diào)節(jié)密度ρ 等參數(shù)，具有良好的魯棒性，按照上位機(jī)規(guī)定的通訊協(xié)議，流量變送器與上位機(jī)進(jìn)行交互。

2 CMF 流量計(jì)對(duì)于高粘度氣體測(cè)量的原理分析

Coriolis 力的概念解釋為，有一質(zhì)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)體系中直線運(yùn)動(dòng)，但由于慣性的作用該質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生了直線偏移，此時(shí)該質(zhì)點(diǎn)上有向心力和Coriolis 力同時(shí)起作用。CMF 流量計(jì)檢測(cè)器中含有電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的作用下測(cè)量管產(chǎn)生頻率為f 的振動(dòng)，此時(shí)的參照系為傳動(dòng)參照系。當(dāng)位于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的質(zhì)點(diǎn)在旋轉(zhuǎn)中心做靠近或原理的運(yùn)動(dòng)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生一種慣性力[3]。

CMF 的基本原理如圖3 所示，流動(dòng)體中的質(zhì)點(diǎn)m 在旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)管中移動(dòng)，振動(dòng)管以固定的角速度ω 繞O 點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。此時(shí)該運(yùn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)會(huì)有一個(gè)沿著法線方向的向心力作用于質(zhì)點(diǎn)上，向心力Fr=ω2r·Δm 和沿切線方向?qū)鼙诘淖饔昧c=2ωV·Δm 這就是科氏力，V 是該質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的經(jīng)向速度、Δm 為質(zhì)點(diǎn)的質(zhì)量。由以上兩式得到在ω 不變時(shí)，科氏力F 與V 成正比，由此可得通過測(cè)量旋轉(zhuǎn)管道內(nèi)流體所具有的Coriolis 力便可直接獲得被測(cè)體的質(zhì)量流量參數(shù)。

以圖4 中的U 型振動(dòng)管為例，對(duì)科里奧質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理進(jìn)行詳細(xì)具體分析，如圖4 所示有一振動(dòng)的測(cè)量管，由于振動(dòng)的作用使得管中的流體受到由振動(dòng)帶來的垂直動(dòng)量，當(dāng)U 型管向上運(yùn)動(dòng)時(shí)由于慣性力，流入管內(nèi)的流體產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力，流出U 型管內(nèi)流體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)向上的力，兩個(gè)力的合力使得流量測(cè)量管產(chǎn)生扭曲現(xiàn)象如圖4 所示。

從圖5 可得，當(dāng)測(cè)量管中有流體經(jīng)過時(shí)，流體中有一質(zhì)點(diǎn)質(zhì)量為m 速度為V，以O(shè)-O 軸線做角速度為ω 的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，該質(zhì)點(diǎn)的Coriolis 力可表示為：

上式中F 和ω 為矢量，半管中流體的質(zhì)量為m。流入口和流出口流體的速度矢量在方向上是相反的，以R-R軸從U 型管尾端將其劃分為兩根線，在U 型管中的流體的出入口線上產(chǎn)生了兩個(gè)力F1和F2，F(xiàn)1和F2都是矢量力，他們的模相等，同為反向。在U 型管以O(shè)-O 為軸心振動(dòng)時(shí)，F(xiàn)1和F2將相對(duì)R-R 軸產(chǎn)生一個(gè)直徑為2r 的振動(dòng)力矩M，此力矩的計(jì)算公式如下所示：

由于F1=F2，r1=r2由式子（1）和（2）得出：

圖6 所示，U 型管在M 的作用下，產(chǎn)生了角度為θ 的扭轉(zhuǎn)角，θ 的最大值出現(xiàn)在振動(dòng)管的中點(diǎn)位置處。

由于U 型測(cè)量管得扭矩T 受到其管子自身的彈力K的約束，因此T 可由（5）式表示：

因?yàn)榕ぞ睾土叵嗟龋虼擞墒剑?）、（5）可得：

由于扭轉(zhuǎn)角θ 可由U 型管軸線中心線速度Vt和時(shí)間間隔Δt 的乘積來表示：

因?yàn)榕まD(zhuǎn)角很小，所以θ≈sinθ，對(duì)于小的θ 值可得V=ωL 這樣式（7）變成：

綜合式（6）和（8）得出：

由上式可得qm只和Δt 與常數(shù)成正比，與其他參數(shù)無關(guān)。如圖7 所示，在測(cè)量管的中軸線上橫穿一感應(yīng)器，通過時(shí)間函數(shù)t()來過得扭轉(zhuǎn)角，如果t()中測(cè)量管中無流體流過，則扭轉(zhuǎn)角θ=0。θ 和時(shí)間函數(shù)隨增量Δt 和U 型管中流體的流量成正比。時(shí)間函數(shù)增量是通過安裝在U 型管端部的位移監(jiān)測(cè)器檢測(cè)到參變量的相位差而得到的。

3 CMF 流量計(jì)的信號(hào)處理分析

流量傳感器工作必須基于測(cè)量管一直處于諧振狀態(tài)。電磁感應(yīng)器的檢測(cè)線圈分別置于一個(gè)測(cè)量管的兩側(cè)對(duì)稱位置上，在另外一個(gè)管上相對(duì)的位置固定兩塊永磁鐵，根據(jù)電磁感應(yīng)原理可知U 型管在檢測(cè)線圈回路中在相對(duì)速度的作用下兩塊磁鐵產(chǎn)生交變感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，通過感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差即可獲得相位差的變化。

以微電子為核心的U 型管質(zhì)量流量計(jì)的原理框圖如圖8 所示，U 型管左右兩側(cè)電磁式傳感器L、R 測(cè)的得正弦電壓信號(hào)通過本質(zhì)安全柵到放大器A1和A2進(jìn)行放大，左側(cè)A2放大后的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器放大后得到放大后的電流信號(hào)，該放大后的電流信號(hào)使得管子內(nèi)線圈產(chǎn)生振蕩。管子的振蕩信號(hào)又送入信號(hào)檢測(cè)器，整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)形成一個(gè)正反饋回路，使系統(tǒng)始終保持振蕩狀態(tài)。經(jīng)過放大器A2放大后的信號(hào)u2輸送給AGC 電路，AGC 電路中的基準(zhǔn)電平信號(hào)和u2信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)對(duì)比使得線圈的振幅始終維持固定的值。經(jīng)過放大后的u1和u2信號(hào)通過信號(hào)處理電路，產(chǎn)生Δt，Δt 和qm為線性關(guān)系。微處理器根據(jù)Δt 和信號(hào)頻率f，計(jì)算出和qm。

4 影響CMF 測(cè)量準(zhǔn)確度的因素

雖然CMF 采用直接測(cè)量的方法，避免了中間環(huán)節(jié)帶來的誤差干擾，較為簡便直觀準(zhǔn)確度高，但是在實(shí)際應(yīng)用中CMF 的測(cè)量誤差較大甚至可達(dá)20%。根據(jù)分析，影響CMF 測(cè)量準(zhǔn)確度的因素主要分為五個(gè)方面：系統(tǒng)壓力、流量范圍、流場(chǎng)分布、零點(diǎn)穩(wěn)定度以及周邊環(huán)境[4]。

4.1 系統(tǒng)壓力的影響

系壓力分為安裝壓力和背壓。由于CMF 內(nèi)含有諧振式裝置，因此在諧振的過程中會(huì)受到如上文所述的扭力和彎曲彈力的作用力，這些力隨著工作溫度和系統(tǒng)壓力的變化而變化，會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，可采用穩(wěn)固的支撐或膨脹節(jié)來改善。為防止測(cè)量體中有氣濁產(chǎn)生，需保證管線中傳感器的背壓足夠，如果背壓不足則會(huì)造成測(cè)量誤差較大更甚至損壞測(cè)量管，可通過在管線中安裝背壓調(diào)節(jié)器來改善。

4.2 流量范圍的影響

CMF 的零點(diǎn)穩(wěn)定性對(duì)下限流量的測(cè)量準(zhǔn)確度影響較大，越接近流量上限，零點(diǎn)穩(wěn)定性對(duì)準(zhǔn)確度的影響越小，適當(dāng)提高流量將有助于提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

4.3 流場(chǎng)分布的影響

由式（9）可知CMF 質(zhì)量流量計(jì)不受管型長短的影響，因此不受流量分布場(chǎng)的影響，但在實(shí)際的使用時(shí)，當(dāng)流場(chǎng)變化很迅速時(shí)，會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確度。因此在安裝CMF時(shí)，應(yīng)根據(jù)所測(cè)氣體的特性來決定傳感器的安裝位置。

4.4 零點(diǎn)穩(wěn)定度的影響

CMF 在實(shí)際的使用中時(shí)常會(huì)遇到零點(diǎn)漂移的狀況，零點(diǎn)漂移對(duì)測(cè)量誤差影響較大。CMF 的安裝應(yīng)力和測(cè)量管道的結(jié)構(gòu)等都會(huì)導(dǎo)致零點(diǎn)漂移。因此建議做定期的零點(diǎn)檢測(cè)和調(diào)整。

4.5 周邊環(huán)境的影響

周邊環(huán)境的影響主要分為電磁干擾和射頻干擾、振動(dòng)兩類。電磁和射頻會(huì)干擾核心處理器和檢測(cè)器的運(yùn)算結(jié)果，可通過安裝電磁屏蔽罩來抵抗干擾。振動(dòng)則會(huì)影響傳感器，因此CMF 在安裝時(shí)應(yīng)盡量避免和振動(dòng)源近距離接觸。

5 CMF 流量計(jì)對(duì)于高粘度氣體測(cè)量的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

CMF 具有測(cè)量精度高，測(cè)量參數(shù)廣即可測(cè)量高粘度流體的瞬時(shí)qm和累計(jì)總質(zhì)量，也可體現(xiàn)流體的、T 等參數(shù)可計(jì)算得溶液的容值所含濃度C。CMF 不僅可測(cè)量高粘度液體還可測(cè)量雙向流液體等，且能指出流向和qm等參數(shù)，且具有結(jié)構(gòu)簡潔，高可靠性等，參量參數(shù)直觀等優(yōu)異特征，這是其他儀表無法實(shí)現(xiàn)的。由于CMF 優(yōu)異的流量測(cè)量方法及應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其在半導(dǎo)體工業(yè)生產(chǎn)制程所用的高粘度氣體、流體測(cè)量應(yīng)用中，將會(huì)發(fā)揮越來越大的作用，對(duì)于國內(nèi)高粘度流量測(cè)量工業(yè)技術(shù)能力，帶來較大的進(jìn)步與提升。