一文讀懂科里奧利質量流量傳感器

1.流體動力學基礎

物理學的一個基本定律是質量守恒定理，物質既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。在沒有物質流入和流出的情況下，不管邊界如何變化，質量始終保持不變。然而，當有物質流入或流出邊界時，流入與流出的總和一定為零。不論何種物質流入并且沒有留存，它一定會流出。在同樣的時間間隔內測量流入系統(tǒng)的質量(Min)與流出系統(tǒng)的質量(Mout)，兩者相等。因此

在機械工程中，流動并且可以被測量的運動介質包括液體(水、油、溶劑如汽油等)、空氣、氣體(氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、水蒸氣等)。通常我們所說的“流率” “流速”或“速率”是指運動流體內微小體積的運動速度。

2. 科里奧利流量計

和那些測量流速或者體積的傳感器不同，科里奧利流量計直接測量質量流量。由于科里奧利流量計不受流體壓力、溫度、黏度和密度的影響，因此科里奧利流量計可以在未經(jīng)校準和沒有參數(shù)補償?shù)臈l件下測量特殊流體。這種傳感器最初主要用于液體，但是現(xiàn)在也可以用于氣體測量了。

科里奧利流量計是以法國工程師、物理學家科里奧利 (1792—1843)的名字命名的。典型的科里奧利傳感器由一個或兩個具有入口和出口的振動管組成。管子的典型材料是不銹鋼，它可以有效防止管子及其襯套受到由流體引起的機械或者化學損傷，從而保證測量的準確性。管子的外形有包括U形在內的各種形狀。薄一點兒的管子用于氣體，厚一點的管子更適合于液體。科里奧利管通過輔助的機電驅動系統(tǒng)產(chǎn)生振動。

流體從入口進入傳感器?；诹黧w對振動管的作用來確定質量流量。隨著流體的流出，由于管子的振動，流體產(chǎn)生的加速度會讓儀器受到大小不同的力。

由流體產(chǎn)生的科里奧利力可以表示為

F=2mωv

這里，m代表質量;ω代表旋轉角頻率;v為流體平均速度的矢量。

在這種力的作用下，當流體流經(jīng)振蕩環(huán)時，管子產(chǎn)生扭轉運動。扭轉量的大小直接與通過管子的質量流量成正比。下圖a)展示了科里奧利流管無流體時的狀況，圖b)展示了科里奧利管有流體存在時的狀況。

在無流體狀況下，管子在入口和出口的振動相同，并且兩者之間的正弦波沒有相位差。在有流體狀況下，管子做扭轉運動，進口和出口兩端振動狀況不同并帶有一定的相位偏移(圖c)。變送器測量左右檢測信號之間的滯后時間，這個時間差乘上流量標定系數(shù)就可確定質量流量。

科里奧利傳感器主要缺點是其初始成本太高。但是，科里奧利傳感器能的通用性非常適合于需要測量多種類型流體的應用場合，并且氣體領域也越來越多地開始應用科里奧利流量計。下圖展示了科里奧利U形傳感器，作為油輪輸油管的一部分，這種傳感器能夠測量3200t/h的質量流量。

更多資料詳見由機械工業(yè)出版社出版的《現(xiàn)代傳感器手冊：原理、設計及應用》一書。