属于一种测量流体质量流量的流量计。

流量测量是工业生产和商品计量中的一个重要参数，通常人们比较容易测得一个容积流量，然而很多场合更需要连续地、高精度测量质量流量，于是往往在测得容积流量的基础上，进一步检测出流体介质的温度、压力或者密度，对容积流量值进行补偿修正运算后，间接确定质量流量，但精度较低。

为了能够直接测出质量流量，美国Micro    motion公司率先在市场上推出了U形管科里奥利流量计（参见美国专利US4422338），随后日本东京计器株式会社于82年8月公开了一种单根直管式科里奥利流量计，该流量计将一根整直管固定在支架的两端上，使其中间悬空，再用电磁振荡驱动器驱动直管使其产生正弦振荡。设一假想中心线把直管分为左管和右管两段，左管内流体是从定点流向动点，即可视为从旋转或振动中心向外流出，在右管内的流体则是流向另一个旋转或振动中心，于是左右两管上感受的科里奥利力方向正好相反。假定管子由上向下振动，那么直通过水平轴线时，左管尚在轴线上，右管就已过轴线。然后通过两个由触发器组成的时间差检测器，测量它们之间的相位差，即可得知被测质量流量。这种直管式科里奥利流量计，在振动过程中整个直管受到科里奥利力（以下简称科氏力）作用时，左、右两段半管产生变形方向相反，必然是半段管子（如左管），向某一方向变形时，不可避免地受到 另半段管子与之相反方向变形的牵制，使其达不到最大变形点（指直管中心位置）便改变了变形方向。此外，直管变形时，会使管子长度延长Δl，于是使管子沿轴向产生一个应变ε＝ (Δl)/(l) ，由此产生的应变力阻碍管子的继续变形，显然，管子感受的科氏力愈大，变形愈大，则ε＝ (Δl)/(l) 也愈大，阻碍管子变形力也就增加。其次，上述直管即要感受科氏力产生的变形，以便通过检测变形确定流量，同时管子还承受着被测流体的压力，保证流体不能外溢，这样，管壁须保持一定厚度，而厚度愈大，同样大小的科氏力产生的变形也愈小。

综上所述，这种科里奥利流量计的直管在科氏力作用下，所产生的位移或变形很小，这就限制了流量计的灵敏度，特别是对于密度小的气体，其质量流量小，故科氏力小，变形不够大，因此无法检测，故限制了流量计的测量下限。

本发明的目的，就是要设计一种测量范围宽，灵敏度高，抗干扰性强的测量流体质量流量的流量计。

为此，本设计采用如下技术方案：

本设计包括了两组相互平行、且从中间断开的测量管，将其安装在中空的护管内，本设计的驱动与检测装置分别是机械振荡驱动装置和时间差检测电路，而传感部件采用8片压电传感元件，固定装置是两个基座，最外部是1个壳体。上述机械振荡驱动装置包括4块扇形永久磁铁、电压放大器、可控增益放大器、功率驱动器、AGC取样放大器即自动增益控制取样放大器、以及采用内开放外封闭式磁路的电磁铁，此电磁铁中有两个相互串联的线圈L1、L2。上述8片压电传感元件中的1片，将机械振荡信号转变为电 信号输送到电压放大器的输入端，电压放大器输出端接可控增益放大器的输入端，而可控增益放大器输出端又接功率驱动器的输入端，功率驱动器输出端分别和AGC取样放大器的输入端以及电磁铁中串联的两个线圈L1、L2输入端相联，而串联的L1、L2另一端接地。上述的时间差检测电路包括信号放大器和逻辑运算器。压电传感元件还将电信号输送到时间差检测电路中的信号放大器进行放大。上述的两组断开的平行测量管实际上是两根相互平行的直管，使其从中间断开后，变为左、右两对相互平行的管子，它们安放在1根中空的护管内，然后安装在上述的两个基座中间，并使其两端分别与两个基座相互固结。此外，此两组平行测量管位于中间断开的4个端部分别安装4块扇形永久磁铁。而上述的电磁铁则安装在4块永久磁铁对应的护管外。

上述电磁铁设计成内开放外封闭式磁路，是为减少漏磁对测量电路的影响。当电磁铁中线圈L1、L2通以正弦交流电时，其磁化方向随之周期性地改变，交替地吸引和排斥4块永久磁铁，带动平行测量管产生机械正弦振荡。

科里奥利流量计的工作原理是基于科里奥利力原理：当一个物体在旋转系统中以速度V沿径向运动时，将受到科里奥利力：

其中：

m-受力物体质量

-物体在旋转坐标系中的速度矢量

-旋转角速度矢量。

如图15所示的围绕X-X′轴旋转的直管，如果里面有流体流 动，则由于科氏力作用，管壁将受到流体的作用力。实际上，直管并非一定以角速度ω转动，如果让直管以xx′轴为固定端，围线它做正弦振动，如图16所示，那么科氏力仍存在，只不过是随着振动按正弦周期性变化。

设直管上一微小长度dx感受到的科氏力为：

dFc＝2·dm·V·ωp（2）

其中：

dm-直管dx内的流体质量

V-流体流动速度，也可写为dx/dt

ωp-直管正弦振动的角速度

如果令流体的质量流量q＝dm/dt，则：

dFc＝2·q·ωp·dx （3）

于是在测量管上感受的科氏力为：

Fc＝∫dFc＝2·q·ωp·L （4）

L代表测量管长度。

如果在同一水平轴线OO′上使直管两端分别固定在基座上，由电磁力驱动，使左右两段直管分别以其基座为支点上下做正弦振动，让流体从左流入由右流出，如图17所示，那么以左边直管为例，在Fc作用下，以悬臂形式固定的直管的自由端所产生的位移记作W，则：

W=A (Fc)/(Ks) （5）

式中：A-直管的结构变形系数

ks-直管的弹性模量。

由（4）（5）两式得：

q= (W·KS)/(2·ωP·L·A) （6）

右边直管和左边直管结构完全一样，且对称，振动方向也一致，所不同的只是流体由自由端流向支点，与左管正好相反，因此，两管受科氏力Fc后，自由端产生的位移量大小相同，方向相反。

两端头通过水平中心轴线时间差：

△t= (2W)/(VO) （7）

上式中V0＝ωp·L，是管端头正弦振荡通过OO′中心轴线时，垂直方向的运动速度。所以：

△t= (2W)/(ωp·L)

位移量：

W= (ωp·L·△t)/2 （8）

将（8）式代入（6）式得：

q＝ (ks·Δt)/(4A) （9）

求解某一段时间内的累积流量得到：

$Q={\int }_{t_1}^{t_1}\mathrm{qdt}=\frac{\mathrm{Ks}}{4A}\underset{t=t_1}{\overset{t_1}{\Sigma }}\mathrm{\Delta t}---\left(10\right)$

显而易见，只要求得Δt，再乘上固定系数 (ks)/(4A) ，便可确定流量q，从（9）式还可看出，测量结果q和Q不受角频率ωp的影响，只与管子的特性参数ks和A有关。

时间差Δt的测量由上述时间差检测电路完成。上述压电传感元件输出的信号经时间差检测电路信号放大器中运算放大器放大后送入其逻辑运算器进行逻辑运算，最后输出代表两个信号时间差Δt的脉冲n。

本设计具有如下优点：

1、由于采用两组平行且断开的测量管，为其两个相反方向的变形设置了一断点，消除了左、右两段管子之间的相互牵制，使之各段变形能够充分发展，变形曲线亦沿同一斜率进行。此外，由于平行直管结构、尺寸完全相同，感受的环境震动有同频、同相、等幅的特点，在运算放大器的输入电路中作为共模信号相互抵消。而科氏力Fc产生的有用信号，则是以差动的型式送入运算放大器进行放大。再者，断开式结构在振荡变形过程中完全避免了轴向应变的影响。加之护管的存在，使测量管壁可设计得很薄，从而使断开式测量管比非断开的位移量大约高出1～2个数量级，因而能够测量低密度介质的质量流量，如气体、比重小的液体等。

2、由于采用压电传感器作为检测元件，其灵敏度高，输出信号大，不受电磁干扰影响。

3、作为检测元件的压电陶瓷或压电晶体的居里温度分别高达 400℃或800℃以上，故工作温度很容易提高到200℃和350℃以上。加之断开式测量管无需考虑轴向应变随温度变化对整个装置影响，故本设计温度适应范围宽。

4、压电传感元件与光电法相比，不存在初始位置差的影响。

图1为本设计的结构示意图。

其中：

1、1′、法兰;2、2′、基座;3、3′、4、4′、5、5′、6、6′、压电传感元件;7、7′、波纹膜片;8、8′、9、9′、两组平行且断开的测量管;10、10′、11、11′、扇形磁铁;12、护管;13、电磁铁;L1、L2、电磁铁中的串联线圈;14、外壳;15、15′、接线端子，每个接线端子有6～14个接线脚;16、机械振荡驱动装置;17、时间差检测电路;24、排气孔;25、排污孔。

8片压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）固结在靠近基座（2、2′）的测量管（8、8′、9、9′）上，位于基座（2、2′）上对称地设有两个埋设压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）的腔宝，此腔宝端部边缘均为波纹膜片（7、7），腔室内装有填充物或填充液，两个腔室外对称地各设有1个接线端子（15、15′），在本实施例中，每个接线端子（15、15′）设有8个接线脚。排气孔（24）位于腔室最高处，排污孔（25）则位于腔室最低处。测量管（8、8′、9、9′）壁厚与管径比为1∶50～1∶150。

图2、图3分别为图1所示位置的A-A、B-B剖视图。

图4为机械振荡驱动装置（16）的方块结构示意图。

其中：

20、电压放大器;21、可控增益放大器;22、功率驱动器;23、AGC取样放大器;L1、L2为电磁铁中的串联的线圈。

8片压电传感元件中的1片，如其中的（3）将电信号输入到电压放大器（20）中。

图5为图4所示方块结构示意图的详细电路原理图。

其中的电压放大器（20）由1个运算放大器k1、5个电阻R1、R2、R3、R4、R5、1个电容C1组成。可控增益放大器（21）包括1个运算放大器k2、1个场效应三极管BG5、3个电阻R6、R7、R8。功率驱动器（22）由4个三极管BG1、BG2、BG3、BG4、1个电位器W1、4个电阻R9、R10、R11、R12组成。自动增益控制取样放大器即AGC取样放大器（23）包括1个运算放大器k3、2个二极管D1、D2、1个稳压二极管D3、1个电位器W2、6个电阻R13、R14、R15、R16、R17、R18和1个电容C2。其联接情况如下所述：压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）中的1片，如压电传感元件（3），通过R1与电压放大器（20）中k1反向输入端（-）相联，k1正向输入端（+）经并联的R3与C1接地，k1输出端通过R6与可控增益放大器（21）中k2反向输入端（-）联接，R4两端分别和k1反向输入端（-）和k1输出端相联，k2正向输入端（+）经R7接地，k2输出端经R9一方面通过W1和BG1基极相联，另一方面通过R10和BG2基极联接，R5两端分别和k1正向输入端（+）和k2输出端相联。功率驱动器（22）4个三极管BG1、BG2、BG3、BG4分为两组：BG1与 BG3、BG2与BG4，使其组成推挽电路，其中的BG1、BG3、BG4均为NPN三极管，BG2为PNP三极管。在AGC取样放大器（23）中，R13一端接功率驱动器（22）中BG3集电极，其另一端经R15接运算放大器k3反向输入端（-），此外，R13与二极管D2、稳压二极管D3串联后接地，功率驱动器（22）输出点P接二极管D1正极，D1负极经W2、R16接k3正向输入端（+），P点还与电磁铁（13）中串联的L1、L2的一端联接，串联的L1、L2另一端接地，k3输出端经R18与可控增益放大器（21）的场效应三极管BG5栅极联接，BG5漏极经R8接k2反向输入端（-），BG5源极接k2输出端。

压电传感元件（3）将电信号输入到电压放大器（20）中的k1反向输入端（-），由k1进行电压放大，再经可控增益放大器（21）放大后，经功率驱动器（22）输出到电磁铁（13）中串联的线圈L1、L2，以补充振荡所需能量。在本设计中，上述电路当满足环路振荡的相位和增益条件下，电路和机械系统便会产生连续、等幅的振荡，其振荡频率就是机械结构系统的自由谐振频率，它主要取决于测量管的动态特性和流体介质的密度、粘度等特性。

AGC取样放大器（23）的作用，是把代表振幅大小的L1、L2两端的驱动信号进行峰值检波后与标准直流电压进行比较，其差值经放大后反馈给可控增益放大器（21）的场效应三极管BG5，作为对其的控制信号，以调整可控增益放大器（21）的电压增益，达到稳定交流振荡幅度的目的。

BG1采用3DG27B;BG2：3CG;BG3、BG4：3DD6;BG3、3DJ6。

D1、D2：2CP12;D3：2DW7。

k1、k2、k3均采用μA741。

R1、R4：1MΩ;R2、R3、R5：100kΩ;R6、R7、R8、R11、R12、R16、R17：10kΩ;R9、R10：390Ω;R13、R14：1kΩ;R15：3kΩ;R18：330kΩ。

W1：680Ω;W2：1.2kΩ。

C1、C2：100μf/25V。

图6为本设计采用的一种时间差检测电路（11）的结构示意图。

其中：

k4、k5为预运算放大器;k6、k7为运算放大器;yF1、yF2、yF3、yF4、yF5均为与非门。

k4、k5、k6、k7组成时间差检测电路（17）的信号放大器;yF1、yF2、yF3、yF4、yF5组成逻缉运算器。

其中4个与非门yF2、yF3、yF4、yF5的输出、输入端依次串接一起，k4、k6串接后，k6输出端接yF2输入端，k5、k7串接后，k7输出端接yF1输入端，yF1输出端接yF2另一输入端。yF4另一输入端接时钟脉冲CP，最后，由yF5输出脉冲n。

k4、k5、k6、k7均采用μA741;yF1、yF2、yF3、yF4、yF5型号均为74LS76。

图7、图8为8片压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）中4片（3、3′、5、5′）与时间差检测电路（17）中k4、k5相联时的电路图。

其中的图7为（3）、（5）两片与时间差检测电路（7）中预运算放大器k4相联时电路图。

（5）、（3）各自输出端经相应电阻R19、R20分别和k4反向、正向输入端（-）（+）相联，其另两端接地。k4反向、正向输入端（-）（+）经相应电阻R21、R22接地，电阻R23两端分别接k4反向输入端（-）和输出端。

k4输出端输出的电压为：

Vi＝V3-V5

图8为（5′）、（3′）与预运算放大器k5相联的电路图。

（5′）、（3′）各自输出端经相应电阻R19、R20分别和k5反向、正向输入端（-）（+）联接，其另两端接地。k5反向、正向输入端（-）（+）分别经R21、R22后接地。R23两端分别接k5的反向输入端（-）和输出端。

同样，k5输出端输出的电压是：

V′i＝V ′3-V ′5

图9、图10为4片传感压电元件（4、4′、6、6′）与时间差检测电路（17）中k4、k5相联时的电路图。

其中图9为（6）（4）与预运算放大器k4相联时电路图。

（6）、（4）各自输出端经相应电阻R19、R20分别和k4反向、正向输入端（-）（+）联接，其另两端接地。k4反向、正向输入端（-）（+）分别经R21、R22后接地。R23两端分别接k4的反向输入端（-）和输出端。

此时的k4输出端输出电压为：

Vi＝V4-V6

图10为（6′）（4′）与k5相联时的电路图。

（6′）（4′）各自输出端经相应电阻R′ 19、R′ 20分别接k5的反向、正向输入端（-）（+），而k5反向、正向输入端（-）（+）分别经R′ 21、R′ 22接地。R′ 23两端分别接k3的反向输入端（-）和输出端。

同理，k5输出端输出电压：

V′i＝V′4-V′6

图11、图12为采用8片压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）与时间差检测电路（17）中k4、k5相联时电路图。

其中图11为（3）、（4）、（5）、（6）与k4相联时电路图。

（4）与（5）、（3）与（6）分别串联后其各自输出端经相应R19、R20分别和K4反向、正向输入端（-）（+）相联，其另两端接地，而k4反向、正向输入端（-）（+）分别经电阻R21、R22接地。R23两端分别接k4的反向输入端（-）和输出端。

k4输出端输出电压：

Vi＝（V3+V6）-（V4+V5）

图12为（3′）（4）（5′）（6′）与k5相联时的电路图。（4′）与（5′）、（3′）与（6′）分别串联后其各自输出端经相应R′ 19、R′ 20分别接k5反向、正向输入端（-）（+），其另两端接 地，而k5的反向、正向输入端（-）（+）分别经电阻R′ 21、R′ 22接地。R′ 23两端分别接k5的反向输入端（-）和输出端。

k5输出端输出电压等于：

V′i＝（V′3+V′6）-（V′4+V′5）

图13、图14为采用8片压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）与时间差检测电路（17）的k4、k5另一种相联方式的电路图。

其中图13为（3）、（4）、（5）、（6）与k4相联时电路图。

（4）、（5）各自输出端分别经相应的R19、R24后并接一起，然后接k4反向输入端（-），（3）（6）各自输出端分别经R20、R29后并接一起，然后接k4正向输入端（+）。k4的（-）（+）端分别经R21、R22后接地，R23两端分别接k4的（-）端和输出端。

k4输出端输出电压为：

Vi＝（V3+V6）-（V4+V5）

图14为（3′）、（4′）、（5′）、（6′）与k5相联时电路图。

（4′）、（5′）各自输出端分别经R′ 19、R′ 24后并接一起，然后接k3反向输入端（-），（3′）、（6′）各自输出端分别经R20、R25后并接一起，然后接k5正向输入端（+），而k5（-）、（+）端分别经R′ 21、R′ 22后接地，R′ 23两端分别接k5的（-）、（+）端。

k5输出端输出电压为：

V′i＝（V′3+V′6）-（V′4+V′5）

在上述压电传感元件（3、3′、4、4′、5、5′、6、6′）与时间差检测电路（17）的预运算放大器k4、k5的各种接线方式中，由k4、k5输出的相应电压Vi、V′i分别送运算放大器k6、k7进行整形放大，以获得与之对应的方波Vi、V′i。

由yF1对V′i进行逻辑非运算。而由yF2和yF3两个与非门完成Vi与 V′i的逻辑与运算，得到：Vi· V′i。

用Vi· V′i作为主控门yF4的输入信号，用以控制频率为f0的计数时钟脉冲CP的通与止，再经yF5反相，这样yF5门输出脉冲n便代表了Vi和V′i两个电压信号的时间差Δt。

因此上述（9）、（10）两式则可写成：

q＝ (ks)/(4A) ·n

R19、R20、R24、R25、R′19、R′20、R′24、R′25均为330kΩ;R21、R22、R′21、R′22均为250kΩ;R23、R′23均为0.5MΩ。

如果采用2片厚度变形的压电传感元件作为传感部件，那么使其分别位于左、右两段平行测量管（8、8′、9、9′）之间，并分别与 时间差检测电路（17）中的k4、k5输入端相联。

图15为直管做旋转运动时的科氏流量计原理图。

图16为直管做正弦振动时的科氏流量计原理图。

图17为中间断开的直管型科氏流量计原理图。