单直管科氏质量流量计结构研究仝猛陈明黄平云任萍（西北工业大学测量与控制技术研究所，陕西省西安市西北工业大学577 信箱， 710072 ）的相位差，就可计算出流经管道的质量流量。本文分析了影响流量计性能和精度的因素，从结构设计的角度提出了改进的方法，并给出了几种解决的方案。
是种高精度的直接测量质量流量的流量计，在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等变化对测量精度的影响，可以适应气体、液体、两相流、高粘度和糊状介质等流体的流量测量。是流量测量的发展方向之。
科氏质量流量计，是利用流体流过振动管道时产生的oriolis 效应，对管道两端振动相位的影响来测量流体质量的。
按照检测管数量可分为单管结构和双管结构，按照检测管形状可分为直管和弯管结构。弯管结构的质量流量计种类比较多，如U 型管、Ψ型管、螺型形管等。
单直管科氏流量计结构最简单，具有体积小、压力损失小、易于排空和清洁等众多优点，成为科氏流量计研究的个重要方向。
单直管科氏质量流量计现在存在的问题是传感器输出的信号很弱，难以提高检测精度。目前改进调理电路性能和信号处理方法以实现有效的检测，在技术上经济上尚有很多困难。提高激振幅度则受到流量计强度极限和疲劳寿命的制约，而且从节能和降低系统成本的角度来讲，也不宜于提高激振幅度。为提高单直管科氏流量计精度，还可以从改变结构和优化结构参数的途径来进行。
单直管科氏流量计的结构单直管科氏流量计包括以下几部分：振动检测管，防护套管，激振装置，振动响应检测装置及其支架、法兰盘接头、仪表装置等。直接影响测量精度的敏感元件和核心部件是检测管、激振装置、振动响应检测装置及其支架。
影响科氏流量计性能的因素如果仔细考察科氏流量计流量检测理论，就可以发现，理论推导时很多的假设前提条件不能满足。流量计的结构实际上都会偏离假设的理想状态。如，假设结构对称，激振装置位于检测管的中央，拾振传感器对称分布在激振装置的两侧将管道看作理想的梁流体在管道中均匀分布没有残留内应力检测管质量和弹性模量为常数没有考虑流体和固体的耦合，以及通过流体传播的振动信号等。这样依据不完善的理论进行检测计算，就会产生理论误差。
航空计测技术理论与实践博士学科点专项科研基金资助根据原型机的实验结果以及产品测试结果，流量计的检测精度受到很多因素的影响。
环境（流体）温度影响，般来说，科氏流量计从理论上讲，它与其他体积流量计具有本质区别，可以认为不受温度的影响。但实际中，温度的改变会引起管道性质的变化，也会影响流体和管道交互耦合，所以必然会影响到流量测量的精度。它的影响可以通过电路或者软件来补偿。目前国外商品化的科氏流量计的典型的温度系数为标称流量的0. 002 /°。
流体压力会改变检测管的内应力，从而改变管子的刚度，影响流量的测量。有试验表明，压力使得流量读数偏低（负误差）。压力的影响可以通过标定，采用软件来校正。
检测管和外部管道般是通过法兰盘或焊接方式连接的，液压泵或者阀门等都会产生振动和噪声，通过外部管道和流量计的接头耦合到检测管上，工业现场中其他设备的噪声也会通过空气耦合进来，而且流体本身也会在流动过程中产生噪声和振动。这些噪声和振动会叠加到振动响应信号中去，使得检测到的振动响应信号的信噪比大大降低。
电磁噪声以及50 Hz 工频电源的干扰，会叠加在振动响应信号中，如果频率比较接近，则难以将其分离出去，导致流量测量的不确定性，降低精度。
如结构不对称，会导致实际模型与理论模型的误差，而使得计算出现误差检测管内残余应力，以及焊接装配应力，会影响弹性模量和弯曲刚度，从而影响流量的计算，由于时效作用，它们会逐渐变化，从而影响流量测量的长期稳定性。
提高流量测量精度的措施提高流量测量精度的措施和方案不外乎增大信号、降低噪声、改善信号处理方法、提高理论模型的精度等。
对于理论误差，可以从完善模型入手。需要全面考虑支承的振动能量耦合、流体粘度和运动等因素引起的阻尼变化，流固耦合、扭转振动、轴向振动、温度场、以及流体压力引起的检测管刚度改变等因素。可以采用有限元分析的方法对模型进行深入分析，并通过实验考察这些因素的变化规律，对结果进行修正和标定。
对于信号处理，除了应降低信号各个环节的噪声（如低噪声电路）外，还应充分利用两路振动响应信号中包含的所有信息（幅度、相位、频率），估计出振动响应的振幅、相位和频率。进而计算出质量流量、流体密度等数据。
要增大振动响应信号，除了增大激励信号，并在谐振频率上激振以外，主要应该依靠改进检测管的结构以及尺寸。降低弯曲刚度，增大弯曲振动的幅度减小振动能量的外泄。
3. 1采用新的检测管结构结构设计的任务，是在保障疲劳寿命、强度、管径和压力损失的情况下，使振动（振动位移、振动加速度）最强。结构设计包括两方面结构形式的优化设计和尺寸的优化设计。给定约束条件包括尺寸，重量，价格，材料，不易于受外界振动的影响，弯曲谐振频率要远离环境干扰频率、其它部件的谐振动频率（包括检测管的扭转以及轴向谐振频率）、工频及其谐频干扰等。其中最主要还是检测管结构的改进。
通常检测管是采用圆（截面）管结构的钛合金管、或不锈钢管。它的优点是制造工艺简单，管道截面积相对最大，材料消耗最少。缺点是刚度较大，振动灵敏度比较低，所以振动信号弱、信噪比低，给检测带来了困难。为了增大检测管振动的幅度，有必要探索新的检测管形式。检测管结构的改进可以从管道截面形状，管道轴线的形状，管壁的结构形式等几个方面来考虑。
从截面角度考虑，比如可以采用椭圆管结构，如图1 所示，激振和拾振装置都布置在椭圆截面的短轴侧，此方向上的弯曲刚度低，所以振动幅度会比较强，最大应力却较小。
从管壁结构的角度来考虑，可以采取弹簧管结构，或者波纹管结构等，如图2 所示。
理论与实践从管道轴线形状的角度来考虑，可以采取蛇行管结构或者螺旋管结构。如图3 所示。这种结构严格讲，不是直管结构，但当弯曲部分的曲率不大，且其尺寸和检测管的管道长度相比很小时，不具有弯管结构的缺点，如不易排空等，所以可以看作特殊的直管。可以有两种使用方式，种是激振和拾振装置处于管道轴线所在平面另种是激振和拾振装置垂直于管道轴线所在平面。
这些结构的共同特点就是减小等效弯曲刚度，在同样的激振信号下，振动幅度就要大得多，管子的刚度比支座的刚度要低得多，谐振能量耦合出去的很少，外界能量耦合进来的也很少，可以忽略。所以振动响应信号就很强，信噪比很高。而最大应力减小或者变化不大，并尽可能使应力的分布更均衡。这样，疲劳寿命就会延长。
3. 2隔离噪声隔离噪声包括两方面：电路上采取措施，隔离电磁噪声和工频噪声，比如激励频率应该避开并远离交流电的工频及其谐频频率，以便于信号处理，分离这些干扰另方面从传感器的结构上来看，主要需要隔离从检测管外部耦合进来的振动和噪声，采取被动隔振和主动隔振，或者称之为被动振动控制和主动振动控制。
主动振动控制技术就是通过对结构主动施加控制作用来改善系统动态特性的种方法。通常采用传感器检测系统的振动，控制器对传感器的信息进行处理，进而对作动器发出特定的控制规律消除系统结构上的振动。
被动振动控制技术主要靠对噪声和振动具有强吸收作用的材料或结构来实现。如图4 所示，给出了单直管科氏流量计的种被动振动控制结构示意图。
结论本文通过分析影响科氏流量计性能的因素，从结构设计的角度给出了改进的方法和途径，并提出了弹簧管、蛇行管、螺旋管等几种新的检测管的结构以及用于隔离噪声干扰的振动控制结构。具有定的研究和实用价值。
