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 技术论文

 科氏力质量流量计的工作原理和典型结构特性


中国计量研究院流量室 李旭

一、 工作原理
  如图一所示,截取一根支管,流体在其内以速度V从A流向B,将此管置于以角速度ω旋转的系统中。设旋转轴为X,与管的交点为O,由于管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度ω运动,此时流体质点受到一个切向科氏力Fc。这个力作用在测量管上,在O点两边方向相反,大小相同,为:
δFc = 2ωVδm
  因此,直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生的科氏力就可以测得质量流量。这就是科里奥利质量流量计的基本原理。




图1 科里奥利力的形成        图2 早期科氏力质量流量计


二、 结构

  早期设计的科氏力质量流量计的结构如图2所示。将在由流动流体的管道送入一旋转系统中,由安装在转轴上的扭矩传感器,来完成质量流量的测量。这种流量计只是在试验室中进行了试制。
  在商品化产品设计中,通过测量系统旋转产生科氏力是不切合实际的,因而均采用使测量管振动的方式替代旋转运动。以此同样实现科氏力对测量管的作用,并使得测量管在科氏力的作用下产生位移。由于测量管的两端是固定的,而作用在测量管上各点的力是不同的,所引起的位移也各不相同,因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量这个扭曲的过程在不同点上的相位差,就可得到流过测量管的流体的质量流量。
  我们常见的测量管的形式有以下几种:S形测量管、U形测量管、双J形测量管、B形测量管、单直管形测量管、双直管形测量管、Ω形测量管、双环形测量管等,下面我们分别对其结构作一简单介绍。

1. S形测量管质量流量计
  如图3所示,这种流量计的测量系统由两根平行的S形测量管、驱动器和传感器组成。管的两端固定,管的中心部位装有驱动器,使管子振动。在测量管对称位置上装有传感器,在这两点上测量振动管之间的相对位移。质量流量与这两点测得的振荡频率的相位差成正比。



图3 S形质量流量计结构


  这种质量流量计的工作原理及工作过程,如图4所示。


      图4 无流动时位移传感器的输出

  当测量管中流体不流动时,两根测量管在驱动力作用下(作用在每根管子上的力大小相等、方向相反)作对称的等振幅运动。由于管子两端是固定的,在管子中间振幅最大,到两端逐渐减为零。这时在两个传感器上测得的相位如图4B所示,由图中可以看出,两传感器测得的相位差为零。当测量管内流体以速度V流动时,流体中任意值点的流速,可认为是两个分流速的合成:水平方向Vx及垂直方向Vy(与振动方向相同)。在恒定流条件下,流体沿水平方向的流速Vx保持恒定。从图5中可以看出,管子的进、出口处振幅为零,流体质点垂直移动速度Vx为零;


            图5 振动管受力分析

  当流体质点有进口流入图示振动方向的测量管时,流体质点的垂直流动速度为+Vy,同样在流体质点流向出口时,其垂直流动速度为-Vy。由此可以推出,流体质点在通过振动的测量管时,垂直方向的速度是一个从零逐渐加大,直到中间最大,再逐渐减小到零的过程。由力学原理可知,速度的变化是由加速度引起的,而加速度是力作用于其上的结果。根据这个原理,称这个垂直速度变化为科氏加速度Ac,因此作用于流体质量M上的科氏力为Fc=Mac。在测量管上与中心距离相等的两点上,作用的科氏力大小相等,方向相反。
  此科氏力作用在测量管上,就产生了如图5所示的结果,即在中间点上产生一对力,引起测量管轻微的扭曲或变形。而实际上在振荡运动时是两根S管同时所受的振荡,其运动方向相反,受力相等,如图6所示。



图6 作用在测量管上的科氏力


  随着振荡运动的进行,测量管被周期性地分开、靠拢,科氏力也周期性地作用在两根测量管上,通过安装在测量管上的位移创按其A、B,测出由科氏力引起的测量管相对位置的变化,通常转化为测两点的相位差,如图7所示。这个相位差的大小与质量流量成正比。



图7 位移传感器的输出

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