科氏力質(zhì)量流量計的工作原理和典型結(jié)構(gòu)特性
2022-02-03 10:20:02|
來源：網(wǎng)絡(luò) 作者：
一、 工作原理 如圖一所示，截取一根支管，流體在其內(nèi)以速度V從A流向B，將此管置于以角速度ω旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中。設(shè)旋轉(zhuǎn)軸為X，與管的交點為O，由于管內(nèi)流體質(zhì)點在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運(yùn)動，此時流體質(zhì)點受到一個切向科氏力Fc。這個力作用在測量管上，在O點兩邊方向相反，大小相同，為： δFc ＝ 2ωVδm 因此，直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管道中流動的流體所產(chǎn)生的科氏力就可以測得質(zhì)量流量。這就是科里奧利質(zhì)量流量計的基本原理。
圖1 科里奧利力的形成 圖2 早期科氏力質(zhì)量流量計
二、 結(jié)構(gòu) 早期設(shè)計的科氏力質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)如圖2所示。將在由流動流體的管道送入一旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，由安裝在轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器，來完成質(zhì)量流量的測量。這種流量計只是在試驗室中進(jìn)行了試制。 在商品化產(chǎn)品設(shè)計中，通過測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生科氏力是不切合實際的，因而均采用使測量管振動的方式替代旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。以此同樣實現(xiàn)科氏力對測量管的作用，并使得測量管在科氏力的作用下產(chǎn)生位移。由于測量管的兩端是固定的，而作用在測量管上各點的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在測量管上形成一個附加的扭曲。測量這個扭曲的過程在不同點上的相位差，就可得到流過測量管的流體的質(zhì)量流量。 我們常見的測量管的形式有以下幾種：S形測量管、U形測量管、雙J形測量管、B形測量管、單直管形測量管、雙直管形測量管、Ω形測量管、雙環(huán)形測量管等，下面我們分別對其結(jié)構(gòu)作一簡單介紹。 1． S形測量管質(zhì)量流量計 如圖3所示，這種流量計的測量系統(tǒng)由兩根平行的S形測量管、驅(qū)動器和傳感器組成。管的兩端固定，管的中心部位裝有驅(qū)動器，使管子振動。在測量管對稱位置上裝有傳感器，在這兩點上測量振動管之間的相對位移。質(zhì)量流量與這兩點測得的振蕩頻率的相位差成正比。圖3 S形質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)
這種質(zhì)量流量計的工作原理及工作過程，如圖4所示。圖4 無流動時位移傳感器的輸出
當(dāng)測量管中流體不流動時，兩根測量管在驅(qū)動力作用下（作用在每根管子上的力大小相等、方向相反）作對稱的等振幅運(yùn)動。由于管子兩端是固定的，在管子中間振幅最大，到兩端逐漸減為零。這時在兩個傳感器上測得的相位如圖4B所示，由圖中可以看出，兩傳感器測得的相位差為零。當(dāng)測量管內(nèi)流體以速度V流動時，流體中任意值點的流速，可認(rèn)為是兩個分流速的合成：水平方向Vx及垂直方向Vy（與振動方向相同）。在恒定流條件下，流體沿水平方向的流速Vx保持恒定。從圖5中可以看出，管子的進(jìn)、出口處振幅為零，流體質(zhì)點垂直移動速度Vx為零；圖5 振動管受力分析
當(dāng)流體質(zhì)點有進(jìn)口流入圖示振動方向的測量管時，流體質(zhì)點的垂直流動速度為+Vy，同樣在流體質(zhì)點流向出口時，其垂直流動速度為-Vy。由此可以推出，流體質(zhì)點在通過振動的測量管時，垂直方向的速度是一個從零逐漸加大，直到中間最大，再逐漸減小到零的過程。由力學(xué)原理可知，速度的變化是由加速度引起的，而加速度是力作用于其上的結(jié)果。根據(jù)這個原理，稱這個垂直速度變化為科氏加速度Ac，因此作用于流體質(zhì)量M上的科氏力為Fc＝Mac。在測量管上與中心距離相等的兩點上，作用的科氏力大小相等，方向相反。 此科氏力作用在測量管上，就產(chǎn)生了如圖5所示的結(jié)果，即在中間點上產(chǎn)生一對力，引起測量管輕微的扭曲或變形。而實際上在振蕩運(yùn)動時是兩根S管同時所受的振蕩，其運(yùn)動方向相反，受力相等，如圖6所示。圖6 作用在測量管上的科氏力
隨著振蕩運(yùn)動的進(jìn)行，測量管被周期性地分開、靠攏，科氏力也周期性地作用在兩根測量管上，通過安裝在測量管上的位移創(chuàng)按其A、B，測出由科氏力引起的測量管相對位置的變化，通常轉(zhuǎn)化為測兩點的相位差，如圖7所示。這個相位差的大小與質(zhì)量流量成正比。圖7 位移傳感器的輸出
2． U形測量管質(zhì)量流量計 如圖8所示，U形管為單、雙測量管兩種結(jié)構(gòu)，單測量管型工作原理圖8a 單U形管結(jié)構(gòu)
圖8b 雙U形管結(jié)構(gòu)
如圖9所示，電磁驅(qū)動系統(tǒng)以固定頻率驅(qū)動U形測量管振動，當(dāng)流體被強(qiáng)制接受管子的垂直運(yùn)動時，在前半個振動周期內(nèi)，管子向上運(yùn)動，測量管中流體在驅(qū)動點前產(chǎn)生一個向下壓的力，阻礙管子的向上運(yùn)動，二在驅(qū)動點后產(chǎn)生向上的力，加速管子向上運(yùn)動。這兩個力的合成，使得測量管發(fā)生扭曲；在振動的另外半周期內(nèi)，扭曲方向則相反。標(biāo)簽： 科氏力 質(zhì)量流量計 質(zhì)量流量
