引言
科氏质量流量计（CMF）是一种直接测量流体质量流量的仪器，它是利用流体流过振动管道时产生的Coriolis惯性力对管道两端振动相位或幅度的影响来测量流过管道的流体质量。单直管科氏质量流量计结构最简单，具有体积小、压力损失小、易于排空和清洁等众多优点，成为目前流量计研究的一个重要方向[1] 。
在科氏质量流量计的很多应用场合，所测流体具有腐蚀性或处于高压之下，而测量管工作时则处于振动状态，因此，测量管的失效形式常表现为出现裂缝，测量管的裂缝可能引起腐蚀性材料的泄漏。同时，当空气或其它的外部物质渗入所测流体中时，引起流体密度的变化，改变了测量管的振动频率，使得所计算的质量流量出现误差。因此，对上述问题必须予以重视。作者已研制成功科氏质量流量计原理样机，为了尽早的工程实用化，针对上述两种情况开展了科氏流量计的故障检测和校正的研究，并获得一些成果。
1 故障信号特征分析
1.1 测量系统简介
科氏质量流量计由测量管道、激振器、2个测振传感器、激振控制、信号处理电路构成。
其工作原理为：测量管道通过2个法兰盘同传输管道相连，2个测振器位于距测量管中央对称位置，激振器为测量管道提供能量并使其工作在谐振状态下，流体通过测量管道时科氏力会使管道产生二阶振动，拾振器检测出2个振动的合成波，通过检测合成波间的相位差便可测出通过管道的质量流量。信号处理电路完成A/D变换，DSP运算求出质量流量；测量时，如果流体的密度变化，会引起固有谐振频率变化，而流量计的控制系统随之改变激振力的频率以维持谐振。
从本文的实验结果和有关资料来看，科氏流量计测量管的出现裂缝是系统常见的故障形式，并可能带来严重后果（腐蚀液体泄漏）；另一方面，流体特性改变会产生测量误差，分为以下几种情况：（1）流量管内流体密度变化；（2）流量管内流体含有空气泡；（3）流量管内流体组成成分变化。因此。必须尽可能早的检测出裂缝故障和分辨出各种流体特性的变化以做出适当的校正。由振动力学可知，科氏质量流量计裂缝故障和上面几种液体特性变化，都会引起系统振动特性改变[3] 。具体体现在：系统谐振频率的变化和维持振动所需的能量的变化。因此，检测驱动功率和谐振频率可以获得系统的“特征”。这就是本文提出的科氏流量计的故障检测和校正的理论基础。
1.2 故障信号特征
下面是作者采集到的各种典型特征样本，特征即功率、频率的变化（图1～图5，左边Y轴为功率变化百分比，右边Y轴为频率变化百分比，横轴为各种工作状况）。
由图1（横轴为时间）可以看出裂缝故障特征表现为：在裂缝出现的早期，功率、频率（80S前）维持不变，但是，随着裂缝产生，驱动功率开始增加，频率开始下降，因此，驱动功率的非线性增加和谐振频率的非线性下降为流量管中出现裂纹的标志特征。
图2表示正常工作时，经过流量计的质量流量变化的特征。由图可以看出，按照正常的工作参数，当质量流量增加时驱动功率维持不变，而谐振频率下降。反之，不变的驱动功率结合谐振频率的非线性增加表示流量计中流量的下降。
图3表示正常响应于流经流量计的物料密度变化的特征，横轴为物料密度。可以看出当物料密度增加时，驱动功率维持不变而谐振频率下降。反之，不变的驱动功率结合谐振频率的非线性下降表示流量计中的物料密度下降。
显然，裂缝故障特征可以很明显的与正常流量变化和物料密度变化相区别。然而，流量变化与流体密度变化都表现为驱动功率的恒定和谐振频率的非线性变化，对于精确测量必须辨别后两种情况。为了区别后两者，注意到两者的曲率（二阶导数）不同，计算变化中的曲率，可以辨别出这两种较为接近的状态。
本文还研究了流经流量计的物料的空隙体积分数变化和物质成分变化的流量计的信号特征。
空隙体积分数是流经流量计的物料中空气或气体含量的测量值。其横坐标为物料中的空隙体积分数。可以看出，当空隙体积分数增加时驱动功率和谐振频率都会增加，因此，驱动功率和谐振频率两者的增加是流量计中测量管空隙体积分数增加的特征。反之，两者的下降意味着空隙体积分数的下降。
而物质成分是流经流量计的物料中较重物料所占的比例。例如：混合物料（油、水）中含水量的在总质量中所占的比例。横坐标为质量分数。可以发现当物料成分增加时，驱动功率增加，而谐振频率下降。因此，驱动功率的线性增加和谐振频率的线性下降是物质成分增加的特征；反之，驱动功率的线性下降和谐振频率的线性增加表示流量计中的测量管内的物质成分的下降。
由图1和图3可以看出，裂缝故障和质量分数增加时的特征都表现为驱动功率的增加和谐振频率的下降。为了区别这两种情况可以计算功率曲线和谐振频率曲线的曲率（二阶导数），前者功率曲线的曲率为正，谐振频率曲率为负，后者的两组曲率都接近零。
根据上述5种信号特征的分析，可以很自然的得到科氏质量流量计状态检测（主要针对最主要失效模式裂缝故障）和校正算法（针对空隙、物质成分、密度等影响质量流量检测的因素）：动态检测信号变化，并分析信号特征，分析出系统所处状态（正常、裂缝故障、密度变化、空隙变化、质量比变化）；并能在故障早期报警，对各种引起系统误差的变化提供动态补偿、校正。
2 状态检测校正算法研究
2.1 状态检测算法
所谓状态检测算法指通过分析科式流量计的信号特征，决定科式流量计工作的所处状态。
由前面分析可以看出根据科式流量计的工作功率、工作频率的变化情况，可以判断其所处的工作状态，而变化情况可以通过功率、频率的一阶、二阶导数的计算而反映出来。
首先，设置2个环形缓冲区域，用来存储一定时间内功率、频率采样值，环形缓冲区的好处是每次最新采样值自动插入环形缓冲区的末端。
每次新的采样值插入后，根据插分算法计算此时功率、频率的一阶、二阶导数。
ΔP=P（t+Δt）- P（t） （1）
ΔF=F（t+Δt）- F（t） （2）
Δ2 P=ΔP（t+△t）- △P（t） （3）
△2F=ΔF（t+Δt）- △F（t） （4）
P' =△P/△t （5）
P" =△2P/Δt （6）
F' =ΔF/Δt， （7）
F" =Δ2F/Δt （8）
以上各式中P代表功率采样值；F代表频率采样值；P'，P"，F'，F"代表功率、频率的一阶、二阶导数；Δt为采样时间间隔。计算中，可以使其为1来简化计算（相当于线性变换）。
计算出功率、频率的一阶、二阶导数之后，由于存在测量噪声的影响，同时，为了提高判别准确率必须将上述结果同一定的阈值相比较，判别出系统所处的工作状态。
阈值的设置必须合理。过低会增大错判的几率，过高则可能漏判或推迟故障报告时间。图4列出了以裂缝故障为例的阈值检测流程，由图1（裂缝故障特征）可见，裂缝故障早期频率减小和功率增加比较平坦；裂缝增长到一定长度后（80S后），则这2个物理量发生较为明显的变化，意味着一阶导数发生突变，二阶导数发生阶跃变化，因此，可以认为阈值比较算法能较好的判别出系统的状态信息。
由于振动检测的复杂性，理论上还不可能准确计算系统的理论模型；合理的阈值只能通过试验方法获得。
2.2 校正算法
校正算法指判别系统特征态后，在某些特定的状态，例如：含有空气泡，对测量结果进行校正。具体算法可采用查表算法。由于空气含量同流体流量误差呈非线性关系；而频率、功率变化同空气含量也呈非线性关系，通过两次查表算法即可获得校正结果。当然，传统的优化算法（如多项式拟合）也可以用来压缩表格，但本质不变。
3 结束语
通过分析科氏流量计的各种典型信号特征，针对裂缝故障和其它可能引起误差的状态，提出了系统状态判别、校正算法：阈值比较算法。该算法可以提高科式质量流量计的测量准确度，并针对裂缝发生早期预报。
参考文献：
[1 J Baker，Roger C．Coriolis flowmeters：industrial practice and pub．1ished information[J]．Flow Measurement and Instrumentation，1994，54（10）：229-246．
[2] 徐科军，何卫民，陈荣保．科里奥利质量流量计初探[J]．合肥工业大学学报，1995，18（1）：8-13．
[3] 卡本特BL．科氏流量计故障诊断[P]．中国专利：1166199A，l997-11-26．
[4] 徐章遂，房立清，王希武，等．故障信息诊断原理与应用[M]．北京：国防工业出版社，2000．26-29．
作者简介：杨俊（1969-），男，陕西西安人，西北工业大学博士研究生，主要从事计算机控制系统、仪表的研究和教学。
