在流量測量技術(shù)中，科里奧利質(zhì)量流量測量技術(shù)是一種近乎理想的技術(shù)，它也是迄今唯一在商用產(chǎn)品上實現(xiàn)的質(zhì)量測量技術(shù)。科里奧利質(zhì)量流量計（以下簡稱科氏質(zhì)量流量計）可以精確地測量工業(yè)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(xiàn)代化學(xué)工業(yè)中，許多流量測量的應(yīng)用中出現(xiàn)了以下的趨勢：一些配方公給出的往往是原料的質(zhì)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(chǎn)成本要求生產(chǎn)流程中各部件具有高度可靠性。這樣，科氏質(zhì)量流量計就自然而然地成為比較好的選擇。

　　科氏流量計發(fā)展初期出現(xiàn)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(jīng)被生產(chǎn)廠家有效地解決了，加上其本身優(yōu)點和測量性能的不斷提高，使科氏質(zhì)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(xiàn)代工業(yè)過程技術(shù)的發(fā)展，在流量的測量中出現(xiàn)了新的問題，同時也對流量測量技術(shù)提出了新的要求，其中，兩相流情況下的測量問題和動態(tài)響應(yīng)速度問題是當(dāng)今國際上科氏質(zhì)量流量計的研究熱點。

　　為了解決上述問題，使科氏質(zhì)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(yīng)用性，數(shù)字信號處理技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)被應(yīng)用在新一代的科氏流量計的信號檢測中，這為動態(tài)響應(yīng)和兩相流問題的解決提供了方法。在英國，已經(jīng)出現(xiàn)了數(shù)字式科氏質(zhì)量流量變送器，在一定程度上和一定的范圍內(nèi)有效地解決了兩相流和動態(tài)響應(yīng)問題。下面我們就其硬件結(jié)構(gòu)、軟件算法和新的應(yīng)用進行介紹。

　　1數(shù)字科氏質(zhì)量流量變送器的結(jié)構(gòu)在工業(yè)自動化領(lǐng)域，數(shù)字一般意味著“含有處理器”。如是這樣，從上世紀(jì)80年代以來的科氏質(zhì)量流量變送器都是數(shù)字的。但是直到現(xiàn)在，很多商用產(chǎn)品的關(guān)鍵功能仍由模擬電路來實現(xiàn)。所以，這里提的數(shù)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(shù)字的，特別需要強調(diào)的是用來初始化和維持管子振動的驅(qū)動波形也是通過數(shù)字方法得到的。信號通過A/D轉(zhuǎn)換到數(shù)字域，在數(shù)字域完成所有的計算和驅(qū)動波形的描繪，然后通過D/A轉(zhuǎn)換回到模擬域驅(qū)動管子振動。

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

　　數(shù)字變送器的結(jié)構(gòu)十分簡單，總體結(jié)構(gòu)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(jīng)過處理和緩沖后，數(shù)據(jù)被送到處理器（這里是MotorolaPowerPC）進行更詳細(xì)的分析，除了計算密度和質(zhì)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(qū)動增益等，并把這些控制量傳給FPGA，在FPGA中合成數(shù)字驅(qū)動信號，并通過codec輸出驅(qū)動信號。整個系統(tǒng)還應(yīng)包括溫度傳感器及其信號的輸入通道、標(biāo)準(zhǔn)的420mA輸出、脈沖輸出和網(wǎng)絡(luò)接口等外圍功能設(shè)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(shù)字變送器的總體結(jié)構(gòu)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(yīng)用中，該處理器為測量和控制算法的實現(xiàn)提供了高精度和高強度的計算能現(xiàn)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(xiàn)關(guān)鍵的實時任務(wù)，包括在MPC的引導(dǎo)下的濾波、波形合成、緩沖和外圍控制。這些任務(wù)在專用的硬件下能實現(xiàn)真正的并行執(zhí)行，因此比在一塊處理器上的時分執(zhí)行要更有效，它的計算負(fù)載相當(dāng)于傳統(tǒng)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(xù)進行。codec的這些特性很適合應(yīng)用于科氏流量計，尤其是對于有兩個驅(qū)動器的流管，因為它有兩路傳感器和兩路驅(qū)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(xiàn)40kHz的采樣速率。

　　2科氏質(zhì)量流量變送器的算法在高精度和高采樣速率的數(shù)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(chǎn)生相應(yīng)高效的驅(qū)動信號。所以數(shù)字變送器算法包括（測量計算）和信號驅(qū)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(jié)果進行校正和轉(zhuǎn)換成工程單位。下面簡單介紹牛津大學(xué)研制的數(shù)字變送器在部分處理階段的實現(xiàn)。

　　典型的Foxboro公司的雙驅(qū)動器科氏質(zhì)量流量計的共振頻率為75到95Hz，要實現(xiàn)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(fā)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(shù)據(jù)流用系數(shù)為24bit的濾波器進行處理。為了數(shù)值的穩(wěn)定性，濾波器被作為二階系統(tǒng)來實現(xiàn)。同時在FPGA的38-bt的寄存器中進行計算，其結(jié)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(tài)響應(yīng)。而當(dāng)數(shù)字變送器應(yīng)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(shù)和結(jié)構(gòu)到FPGA就能實現(xiàn)重新匹配。

　　測量算法，即傳感器數(shù)據(jù)在一個個完整的驅(qū)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(xù)兩批被處理的數(shù)據(jù)中有半個周期的數(shù)據(jù)是重疊的，如所示。這個測量速率對整個流量計的綜合動態(tài)響應(yīng)起著很重要的作用。

　　信號數(shù)據(jù)處理周期示意圖驅(qū)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(shù)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(shù)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(jiān)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(zhì)量流量。

　　校正技術(shù)，即幾種工程上的校正技術(shù)被用來提高測量質(zhì)量。其中對于傅立葉變換技術(shù)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(tài)響應(yīng)得到提高。

　　2.2信號驅(qū)動科氏質(zhì)量流量計的測量是建立在振動的基礎(chǔ)上的，因此對這個振動的控制在科氏質(zhì)量流量計中位于極其重要的地位，是產(chǎn)生精確測量數(shù)據(jù)的前提和基礎(chǔ)。

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

　　科氏質(zhì)量流量變送器不但要求其驅(qū)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(xiàn)在比較普遍的流管振動控制技術(shù)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(qū)動增益后直接當(dāng)作驅(qū)動信號輸出給激振器。

　　這些年來傳統(tǒng)的科氏流量計的應(yīng)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(jié)束時以及兩相流時。這些時候比較常見的結(jié)果是流量計停止振蕩，測量數(shù)據(jù)無法產(chǎn)生。而牛津大學(xué)的數(shù)字變送器中比較重要的一個組成部分就是全數(shù)字的驅(qū)動系統(tǒng)，它的提出就是為了彌補模擬正反饋技術(shù)的一系列缺陷。

　　數(shù)字驅(qū)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(yīng)性的驅(qū)動信號；能維持穩(wěn)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(yīng)的振幅為0. 6mm，而當(dāng)振動信號的幅度被維持在0.003V時，每個驅(qū)動器的平均電流為8M這也為兩線制科氏質(zhì)量流量的測量提供了可能性。

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

　　在科氏流量計應(yīng)用的早期階段，這些幅度控制被認(rèn)為沒有什么作用，但后來這些靈活的控制系統(tǒng)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(xué)的實驗結(jié)果也證明了驅(qū)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(yīng)該是變送器控制系統(tǒng)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(qū)動電流。

　　牛津大學(xué)通過實驗證明，它們的數(shù)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(rèn)值0.3V，此時驅(qū)動電流10mA.兩相流發(fā)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(qū)動電流快速地增大，直到達(dá)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(rèn)振幅要小。兩相流結(jié)束后，可以將振幅恢復(fù)到默認(rèn)值。

　　相似的情況發(fā)生在水泵被關(guān)閉時，過程流體從管道中被排空時相應(yīng)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(dāng)水泵重新打開時，流量計經(jīng)歷一個水壓的沖擊后阻尼比恢復(fù)到正常值，這時再將振幅恢復(fù)到默認(rèn)值。在這些過渡過程中，測量數(shù)據(jù)仍然連續(xù)產(chǎn)生。

　　3科氏質(zhì)量流量計新的應(yīng)用領(lǐng)域從上面的討論中我們看到了數(shù)字技術(shù)在科氏流量計變送器中的實現(xiàn)，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(chǎn)品CFT50上得到體現(xiàn)。除此之外，它給科氏質(zhì)量流量計帶來的比較顯著的發(fā)展就是將其應(yīng)用拓展到了原來無法應(yīng)用的領(lǐng)域：批料流和兩相流情況下的流量測量。

　　有許多工業(yè)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(zhì)量測量特性。

　　傳統(tǒng)科氏要求流體在測量過程中充滿流管，實際上并不能嚴(yán)格實現(xiàn)。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(chǎn)過程中，衛(wèi)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?zhèn)鹘y(tǒng)的科氏質(zhì)量流量計的精度往往是以犧牲其動態(tài)響應(yīng)速度換來的，而批料流測量的重點就是要快速準(zhǔn)確地反映這個流量動態(tài)過程，這使得傳統(tǒng)科氏質(zhì)量流量計在這方面束手無策。于是也就推動了現(xiàn)階段科氏流量計研究的一個重要方向*S力態(tài)響應(yīng)研究的發(fā)展。

　　基于以上原因，傳統(tǒng)科氏流量計的廠家是不會向客戶推薦將他們的產(chǎn)品應(yīng)用于批料流的測量上的。由于數(shù)字變送器帶來的快速而穩(wěn)定的流管控制算法，牛津大學(xué)研制的科氏質(zhì)量流量計在批料流發(fā)生時只需要很短的恢復(fù)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(xiàn)了4s里流過2kg批料流（15mm的管子）的測量，這對傳統(tǒng)科氏流量計來說幾乎不可能，因為4s里其穩(wěn)定振蕩狀態(tài)還未建立。

　　對傳統(tǒng)科氏流量計來說另一個重要的難題是零星和連續(xù)兩相流（氣/液）流量測量。一方面兩相流的動態(tài)特性會產(chǎn)生高阻尼，所以一般在很低的氣體分?jǐn)?shù)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(fā)，分析兩相流給科氏測量原理帶來的影響：當(dāng)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(fā)生異常（產(chǎn)生與管道垂直的相對速度）。科氏的基本原理實質(zhì)上是對流體質(zhì)量和流速的乘積的感應(yīng)，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(tǒng)一地改變其運動方式，而這部分流體相對速度的產(chǎn)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(dāng)簡陋和靜態(tài)的，從實驗結(jié)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(xiàn)精確的校正。近期Hemp等人在對兩相流更深入研究的基礎(chǔ)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(yīng)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?jǐn)?shù)和低流速時誤差表現(xiàn)出來的特殊特性。在模型中引入了粘度參數(shù)，通過這個模型我們可以發(fā)現(xiàn)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(zhì)量流量誤差為f5.而當(dāng)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(xué)通過實驗證明他們的數(shù)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(zhì)量流量誤差，他們又提出了建立在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上的誤差校正算法，能把誤差控制在了2%以內(nèi)。顯然這些算法的實現(xiàn)都要靠數(shù)字變送器來完成。

　　雖然現(xiàn)在發(fā)展中的校正算法能使誤差控制在2%以內(nèi)，但兩相流是一種復(fù)雜的現(xiàn)象，它與許多參數(shù)有關(guān)，包括流體剛度、粘度和環(huán)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(xiàn)出的特性就會不同。因此需要發(fā)展更復(fù)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(yè)使用數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)上。

　　字變送器的基礎(chǔ)上提出了一種自確認(rèn)（Sel-Validating）傳感器概念-簡稱SEVA51.現(xiàn)在SEVA已經(jīng)成為英國工業(yè)測量質(zhì)量報告標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)，SEVA變送器在給出測量數(shù)據(jù)的同時用一個狀態(tài)變量來反映其測量質(zhì)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(jié)果的同時用一個“模糊”狀態(tài)來表示此時測量結(jié)果的不確定性程度。變送器通過數(shù)字通信把這個狀態(tài)告訴控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)就可以根據(jù)這個狀態(tài)采取不同控制策略。