在流量測量技術中，科里奧利質量流量測量技術是一種近乎理想的技術，它也是迄今唯一在商用產品上實現的質量測量技術?？评飱W利質量流量計（以下簡稱科氏質量流量計）可以精確地測量工業過程流量和流體密度，同時沒有可動的機械部件以及帶來的損耗，所以理論上它的使用壽命可以很長。在現代化學工業中，許多流量測量的應用中出現了以下的趨勢：一些配方公給出的往往是原料的質量；對于一些昂貴的原材料需要十分精確的流量測量，以保證比較小的浪費量；為了降低生產成本要求生產流程中各部件具有高度可靠性。這樣，科氏質量流量計就自然而然地成為比較好的選擇。

　　科氏流量計發展初期出現過一些難題，比如一次儀表的制造要求苛刻，對外部振動的敏感等。但這些年來大都已經被生產廠家有效地解決了，加上其本身優點和測量性能的不斷提高，使科氏質量流量計一躍成為高性能流量計的代表，市場需求量逐年上升。但是隨著現代工業過程技術的發展，在流量的測量中出現了新的問題，同時也對流量測量技術提出了新的要求，其中，兩相流情況下的測量問題和動態響應速度問題是當今國際上科氏質量流量計的研究熱點。

　　為了解決上述問題，使科氏質量流量計能具有更好的測量性能、更強大的測量功能和更普遍的應用性，數字信號處理技術和數字電路技術被應用在新一代的科氏流量計的信號檢測中，這為動態響應和兩相流問題的解決提供了方法。在英國，已經出現了數字式科氏質量流量變送器，在一定程度上和一定的范圍內有效地解決了兩相流和動態響應問題。下面我們就其硬件結構、軟件算法和新的應用進行介紹。

　　1數字科氏質量流量變送器的結構在工業自動化領域，數字一般意味著“含有處理器”。如是這樣，從上世紀80年代以來的科氏質量流量變送器都是數字的。但是直到現在，很多商用產品的關鍵功能仍由模擬電路來實現。所以，這里提的數字變送器是指除了基本外圍元件和放大電路外，所有部件都是數字的，特別需要強調的是用來初始化和維持管子振動的驅動波形也是通過數字方法得到的。信號通過A/D轉換到數字域，在數字域完成所有的計算和驅動波形的描繪，然后通過D/A轉換回到模擬域驅動管子振動。

　　1.1數字變送器的硬件總體框圖隨著數字電路以及現場可編程門陣列（FPGA）和音頻技術的迅速發展，給數字變送器的研制奠定了基礎，尤其在器件的選擇上給我們提供了很大的空間。

　　數字變送器的結構十分簡單，總體結構如所示。傳感器信號由信號編（碼）譯碼器（codec）接收，由FPGA控制其工作，經過處理和緩沖后，數據被送到處理器（這里是MotorolaPowerPC）進行更詳細的分析，除了計算密度和質量流量這些過程變量外，還要確定維持管子振動的控制量如驅動增益等，并把這些控制量傳給FPGA，在FPGA中合成數字驅動信號，并通過codec輸出驅動信號。整個系統還應包括溫度傳感器及其信號的輸入通道、標準的420mA輸出、脈沖輸出和網絡接口等外圍功能設備，它們直接由處理器控制或通過FPGA來控制。下面就其各部分進行介紹。

　　數字變送器的總體結構是一個高性能的32-bt硬件浮點處理器，工作頻率為266MHz.在科氏流量計的實際應用中，該處理器為測量和控制算法的實現提供了高精度和高強度的計算能現場可編程門陣列（FPGA）FPGA提供了300⑴0個可編程邏輯門，它被用來實現關鍵的實時任務，包括在MPC的引導下的濾波、波形合成、緩沖和外圍控制。這些任務在專用的硬件下能實現真正的并行執行，因此比在一塊處理器上的時分執行要更有效，它的計算負載相當于傳統處理器的4MFLOPS.信號編（碼）譯碼器（endec）混合了兩路（立體聲）輸入通道和兩路輸出通道，所以操作可并行地連續進行。codec的這些特性很適合應用于科氏流量計，尤其是對于有兩個驅動器的流管，因為它有兩路傳感器和兩路驅動器。同時codec可以為我們提供24bit精度的ADC和DAC通道，并可實現40kHz的采樣速率。

　　2科氏質量流量變送器的算法在高精度和高采樣速率的數字域里，我們可以靈活地采用多種方法來提取信號頻率和相位差信息，并產生相應高效的驅動信號。所以數字變送器算法包括（測量計算）和信號驅動兩大部分。

　　2.1信號處理一般來說信號處理要包括四個階段：濾波、確定頻率和相位差的測量計算、對測量結果進行校正和轉換成工程單位。下面簡單介紹牛津大學研制的數字變送器在部分處理階段的實現。

　　典型的Foxboro公司的雙驅動器科氏質量流量計的共振頻率為75到95Hz，要實現高精度的測量必須有很高的米樣速率，比如40kHz.濾波是為了減小高頻成分對測量計算的影響。特別對于流管高一階的共振模式（又被稱為‘更高的科氏模式“），頻率一般要超過300Hz（對于Foxboro的雙管來說），如果引入的話會帶來很大的噪聲，同時這個更高的共振模式在外部振動的激勵下又很容易發生，為此該變送器在FPGA中用一套6個極點的橢圓濾波器來減小250Hz以上的信號成分，將來自codec中ADCs的24bit的數據流用系數為24bit的濾波器進行處理。為了數值的穩定性，濾波器被作為二階系統來實現。同時在FPGA的38-bt的寄存器中進行計算，其結果被作為32bit值送往處理器，這個值送的速率要求在10k到40k之間，隨流管共振頻率的變化而變化。

　　在這里需要注意，并不是帶寬越窄的濾波器就效果越好，因為過窄的濾波器必然會影響流量計的動態響應。而當數字變送器應用于各種具有不同頻率特性的流管類型時，只要通過裝載濾波器系數和結構到FPGA就能實現重新匹配。

　　測量算法，即傳感器數據在一個個完整的驅動周期里成批地處理。測量值在每個周期里可以被更新兩次，這是因為連續兩批被處理的數據中有半個周期的數據是重疊的，如所示。這個測量速率對整個流量計的綜合動態響應起著很重要的作用。

　　信號數據處理周期示意圖驅動頻率通過計算兩個零穿越點的時間差來得到，而這個高精度的零穿越點是通過曲線擬合技術得到的，但此方法從原理上來說受干擾的影響很大。

　　由于高次諧波的存在，傅立葉變換技術被用來計算每個傳感器的相位和幅值信息，其中幅值被用來監視和控制流管的振動，而頻率和相位則用來計算過程流體密度和質量流量。

　　校正技術，即幾種工程上的校正技術被用來提高測量質量。其中對于傅立葉變換技術比較有效的方法是通過每路信號的幅值的變化率來校正相位信息。這種方法顯著地減少了測量噪聲，使流量計的測量精度和動態響應得到提高。

　　2.2信號驅動科氏質量流量計的測量是建立在振動的基礎上的，因此對這個振動的控制在科氏質量流量計中位于極其重要的地位，是產生精確測量數據的前提和基礎。

　　對于Foxboro公司的雙驅動流量計（兩個驅動器可以提高信號靈敏度）來說，它比一般的單驅動控制要求更高，因為它要維持兩個驅動器配合協調振動，尤其是在擾動發生時對控制的要求非常高，以產生穩定且平衡對稱的輸出信號。

　　科氏質量流量變送器不但要求其驅動信號與共振頻率匹配，還要求它能使流管的振動維持在固定振幅（工作點）處。現在比較普遍的流管振動控制技術仍舊是利用模擬電路組成的正反饋電路，即將傳感器信號乘以一個驅動增益后直接當作驅動信號輸出給激振器。

　　這些年來傳統的科氏流量計的應用證明了這種方法的有效性，但這種方法在相對比較惡劣的情況下就不再那么有效，比如空管中批料的開始和結束時以及兩相流時。這些時候比較常見的結果是流量計停止振蕩，測量數據無法產生。而牛津大學的數字變送器中比較重要的一個組成部分就是全數字的驅動系統，它的提出就是為了彌補模擬正反饋技術的一系列缺陷。

　　數字驅動包含合成具有我們需要的幅度、頻率和相位的正弦波，提供給激振器高精度和高適應性的驅動信號；能維持穩定振蕩的非線形幅值控制算法；在高阻尼情況（如兩相流時）時可以改變所維持振動的幅度：一般0.3V對應的振幅為0. 6mm，而當振動信號的幅度被維持在0.003V時，每個驅動器的平均電流為8M這也為兩線制科氏質量流量的測量提供了可能性。

　　驅動增益被定義為驅動電流對振幅的比值。當幅度穩定時它的平均值近似于常數；當振幅改變時它會表現出很大的變化，也可以通過控制它來調節振幅，比如當我們需要快速減少振幅時，就要求控制算法產生一個負的增益。牛津大學的數字變送器通過產生一個與傳感器信號相位差180*的驅動信號來達到這個目的。對于數字驅動系統，快速地產生負增益不但能使振幅的調節更靈活有效，也使流管在小幅度高阻尼下能維持穩定振動。通過。為了維持這么小的振幅，要求驅動信號幅度能快速變化，并產生正負波動的驅動增益。

　　在科氏流量計應用的早期階段，這些幅度控制被認為沒有什么作用，但后來這些靈活的控制系統被證明是解決兩相流和空-滿流量變化問題的前提。牛津大學的實驗結果也證明了驅動電流不再是流管是否會停止振動的決定性因素，更為重要的因素應該是變送器控制系統追蹤頻率幅值的能力和選擇一個合適變化速度和精度的驅動電流。

　　牛津大學通過實驗證明，它們的數字變送器在兩相流時振幅會減小，但流管并沒有停止振蕩，單相流時，振蕩的幅值是默認值0.3V，此時驅動電流10mA.兩相流發生時，比如流體密度從1000kg/m3降到500kg/m3，同時流管的阻尼顯著增大，這時為了維持流管的振幅，驅動電流快速地增大，直到達到比較大的允許值60mA，此時的振幅就被選定為新的幅值工作點進行控制。這個值顯然比原來的默認振幅要小。兩相流結束后，可以將振幅恢復到默認值。

　　相似的情況發生在水泵被關閉時，過程流體從管道中被排空時相應的流體密度將降到零。這個排空的過程將包含一個幾秒的高度阻尼狀況，此時振幅工作點采用一個比較小的值（同兩相流時的情況）。而當水泵重新打開時，流量計經歷一個水壓的沖擊后阻尼比恢復到正常值，這時再將振幅恢復到默認值。在這些過渡過程中，測量數據仍然連續產生。

　　3科氏質量流量計新的應用領域從上面的討論中我們看到了數字技術在科氏流量計變送器中的實現，以及它給測量精度和流管控制方面所帶來的提高。這些提高都在Foxboro的比較新產品CFT50上得到體現。除此之外，它給科氏質量流量計帶來的比較顯著的發展就是將其應用拓展到了原來無法應用的領域：批料流和兩相流情況下的流量測量。

　　有許多工業過程中需要測量批料流量，并希望能象科氏流量計那樣具有高精度和直接質量測量特性。

　　傳統科氏要求流體在測量過程中充滿流管，實際上并不能嚴格實現。在裝滿和排空油罐的過程中，空氣的侵入是很難避免的；在食品生產過程中，衛生條例要求在兩批流體流過管道的間隔中必須清洗管道，這會在科氏流量計引入類似兩相流的流量誤差，而且批料流帶來的水壓沖擊還很可能會使流管停止工作。另一方面傳統的科氏質量流量計的精度往往是以犧牲其動態響應速度換來的，而批料流測量的重點就是要快速準確地反映這個流量動態過程，這使得傳統科氏質量流量計在這方面束手無策。于是也就推動了現階段科氏流量計研究的一個重要方向*S力態響應研究的發展。

　　基于以上原因，傳統科氏流量計的廠家是不會向客戶推薦將他們的產品應用于批料流的測量上的。由于數字變送器帶來的快速而穩定的流管控制算法，牛津大學研制的科氏質量流量計在批料流發生時只需要很短的恢復時間，因而能比較好地解決這種情況下的測量困難。在具體的實驗中，他們實現了4s里流過2kg批料流（15mm的管子）的測量，這對傳統科氏流量計來說幾乎不可能，因為4s里其穩定振蕩狀態還未建立。

　　對傳統科氏流量計來說另一個重要的難題是零星和連續兩相流（氣/液）流量測量。一方面兩相流的動態特性會產生高阻尼，所以一般在很低的氣體分數下就不能維持測量管的振動，同時它還會引入很大的流量測量誤差。對于這個誤差比較早由H*np和Sultan提出了氣泡模型，該模型從科氏流量計物理原理出發，分析兩相流給科氏測量原理帶來的影響：當少量氣泡混入流體流過流管時，并不是所有的流體隨管子一起同步振動（也就是沒有垂直于管道的相對速度），而是與氣泡體積相同的一部分流體會發生異常（產生與管道垂直的相對速度）?？剖系幕驹韺嵸|上是對流體質量和流速的乘積的感應，也就是通過間接測量改變整個慣性總體的運動方向所需要的力，因此前提是這個慣性體需要按照我們指定的方式統一地改變其運動方式，而這部分流體相對速度的產生卻破壞了這個原科氏流量計無法或者錯誤地感知到他們的慣性）。

　　但這個模型是相當簡陋和靜態的，從實驗結果我們可以看到，實際誤差只與氣泡理論誤差的總體趨勢相符，所以還不能被用來實現精確的校正。近期Hemp等人在對兩相流更深入研究的基礎上，對先前提出的針對非粘性流體的氣泡模型進行了擴展，考慮了氣泡的分布效應和流體粘性，提出了粘性流體的氣泡模型。這個模型的建立可以更好地解釋在低空氣分數和低流速時誤差表現出來的特殊特性。在模型中引入了粘度參數，通過這個模型我們可以發現在粘度為零時，測量密度相對誤差（相對于單相流體的）為3d，質量流量誤差為f5.而當粘度趨向于零時，其分別為a和0.這個模型的建立使兩相流問題的解決又向前邁了一大步。

　　牛津大學通過實驗證明他們的數字變送器對任何尺寸的測量管在任何氣體比例的兩相流下都不會停止工作，同時針對兩相流時的密度和質量流量誤差，他們又提出了建立在神經網絡基礎上的誤差校正算法，能把誤差控制在了2%以內。顯然這些算法的實現都要靠數字變送器來完成。

　　雖然現在發展中的校正算法能使誤差控制在2%以內，但兩相流是一種復雜的現象，它與許多參數有關，包括流體剛度、粘度和環境壓力。一般的校正算法只適用于水/空氣兩相流的物理特點，至于一些特殊的過程流體，比如通氣的粘滯性流體，其誤差呈現出的特性就會不同。因此需要發展更復雜、更精確的校正算法，但這需要建立在一個不斷擴展的實驗和工業使用數據庫的基礎上。

　　字變送器的基礎上提出了一種自確認（Sel-Validating）傳感器概念-簡稱SEVA51.現在SEVA已經成為英國工業測量質量報告標準的基礎，SEVA變送器在給出測量數據的同時用一個狀態變量來反映其測量質量。

　　如果測量條件惡劣，如兩相流時，SEVA變送器就會在給出測量結果的同時用一個“模糊”狀態來表示此時測量結果的不確定性程度。變送器通過數字通信把這個狀態告訴控制系統，控制系統就可以根據這個狀態采取不同控制策略。