论文摘要
质量流量是能源、化工等领域常需测量的重要物理量。科里奥利质量流量计(以下简称“科氏流量计”)能直接测量质量流量参数,且其精度高、量程宽、重复性好,因此近三十年来其市场需求日益增加。然而,我国的科氏流量计市场却被少数几家国外公司品牌所垄断,而且科氏流量计的售价一直居高不下,使得不少用户只能选用体积式流量计来计量质量流量。造成这种垄断局面的主要原因,是因为国产科氏流量计的稳定性和可靠性相比国外同类产品差距明显。科氏流量计的零点漂移问题,即科氏流量计的测量性能随环境、时间变化发生流量读数飘动的现象,是导致科式流量计稳定性与可靠性差的主要原因,也是制约国产科氏流量计行业发展的重要瓶颈。国外工业界通常采用对温度压力不敏感的高性能材料,以及高水平的加工工艺,以降低科氏流量计的零点漂移,这直接提高了科氏流量计的成本。同时,我国基础制造能力的落后,也直接限制了国产科氏流量计采用国外工业界的零点漂移解决方法。本课题对科氏流量计零点漂移问题展开系统研究,提出通过机电系统建模的方式,对科式流量计零点进行在线修正,从而降低对工艺与材料的要求,使得基于普通材料和常规工艺生产的低成本科氏流量计也能获得稳定的零点性能。本文首先对科氏流量计测量管进行了解析式建模,该模型以测量管材料、形状等物理量为计算参数,以测量管管内质量流量为自变量,计算测量管上下游检测信号之间的时间差；其次,基于上述测量管数学模型,对科氏流量计零点漂移的产生机理和物理本质进行了研究,定量地分析了测量管各个物理参数的变化对零点漂移的影响程度；进而,在其他学者提出的科氏流量计集中质量模型的基础上,建立了科氏流量计零点漂移的计算模型,该模型将科氏流量计一次仪表当做黑箱处理,即不关心零点漂移产生的具体物理原因,而只根据一次仪表的振动特性,并结合参数识别方法,在无需关断被测流体的情况下,实现对零点漂移的在线计算和补偿；最后,对零点漂移补偿方法的实用化工作机制进行了研究,研究了驱动电磁铁的驱动力计算方法,根据该力计算方法可实现测量管振动阻尼的在线计算,并进而判断何时启动零点漂移的参数识别和在线补偿,同时还研究了测量管振动的模糊控制方法,该方法可在识别完测量管参数后,快速地恢复测量管的稳定振动,进而恢复科氏流量计的正常测量。课题的主要研究内容如下：1.测量管建模方法的研究。其他学者提出的准静态式时间差推导方法对于理解科氏流量计的工作原理具有简单直观的指导作用,但该方法中测量管扭矩、扭转刚度等几个关键参数无法确切得到,因此无法用于科氏流量计测量管的精确建模。本文发展了上述准静态式时间差推导方法,基于虚功原理和单位载荷法,解析计算了不同流速下测量管的扭转变形程度,并进而计算了不同流速下测量管上下游信号的时间差。本文推导的测量管模型,只需输入测量管材料参数和形位参数,避开了测量管扭矩和扭转刚度等参数的计算,因此该模型具有较好的实用性,为研究测量管各个物理参数的变化对零点漂移程度的影响提供了基础。2.科氏流量计零点漂移产生机理的研究。一次仪表内部的测量管及基座等机械部件,是零点漂移产生的主要来源。本章基于前一章推导的测量管模型,对科氏流量计零点漂移的产生原因和变化途径进行了探讨,并定量分析了一次仪表内机械部件的各个物理参数变化与零点漂移之间的映射关系。同时,本章还定性分析讨论了一次仪表内部的电气部件对零点漂移的影响。本章内容有助于理解科氏流量计零点漂移的物理本质,对科氏流量计的设计及工程应用具有参考意义,为零点漂移的补偿方法提供了基础。3.科氏流量计零点漂移补偿方法的研究。本章将一次仪表内的测量管、驱动电磁铁、上下游检测电磁铁都考虑在内,建立了科氏流量计一次仪表集中参数模型,并进而推导了科氏流量计的零点漂移计算和补偿模型。本章利用自由衰减法识别得到零点漂移补偿模型的参数值,并进而对零点漂移补偿模型进行了实验验证。基于本章推导的零点漂移补偿模型,可在不切断安装科氏流量计的管道内被测流体正常流动,并且无需将科氏流量计从管道上拆卸下来的情况下,完成参数识别过程和零点漂移的在线补偿。4.科氏流量计零点漂移补偿方法的实用化工作机制的研究。前一章所推导的零点漂移补偿方法,在实际应用时仍面临着两大困难：a.模型的参数识别过程中,需要测量管自由衰减,此时科氏流量计无法正常测量；b.测量管自由衰减之后,需要很长时间才能恢复振动,甚至无法再次起振,导致科氏流量计彻底无法工作。本章研究了如何将零点漂移补偿过程对科氏流量计正常工作的影响降到最低,针对性地解决以下两个问题：何时启动零点补偿,及如何快速恢复正常测量。首先,本章研究了驱动电磁铁驱动力的在线计算方法,并在此基础上实现测量管振动阻尼的在线计算,以判断何时应该启动零点漂移补偿过程。其次,本章研究了测量管振动的模糊PID控制方法。依靠该控制方法,科氏流量计补偿完零点漂移之后,能快速起振并快速稳定振幅,从而快速地恢复正常测量。本章所研究的两块内容,极大地增强了零点漂移补偿方法的实用性。
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