一文讀懂科里奧利質(zhì)量流量傳感器

1.流體動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

物理學(xué)的一個(gè)基本定律是質(zhì)量守恒定理，物質(zhì)既不能被創(chuàng)造，也不能被消滅。在沒(méi)有物質(zhì)流入和流出的情況下，不管邊界如何變化，質(zhì)量始終保持不變。然而，當(dāng)有物質(zhì)流入或流出邊界時(shí)，流入與流出的總和一定為零。不論何種物質(zhì)流入并且沒(méi)有留存，它一定會(huì)流出。在同樣的時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)量流入系統(tǒng)的質(zhì)量(Min)與流出系統(tǒng)的質(zhì)量(Mout)，兩者相等。因此

在機(jī)械工程中，流動(dòng)并且可以被測(cè)量的運(yùn)動(dòng)介質(zhì)包括液體(水、油、溶劑如汽油等)、空氣、氣體(氧氣、氮?dú)狻⒁谎趸?、二氧化碳、甲烷、水蒸氣?。通常我們所說(shuō)的“流率” “流速”或“速率”是指運(yùn)動(dòng)流體內(nèi)微小體積的運(yùn)動(dòng)速度。

2. 科里奧利流量計(jì)

和那些測(cè)量流速或者體積的傳感器不同，科里奧利流量計(jì)直接測(cè)量質(zhì)量流量。由于科里奧利流量計(jì)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(jì)可以在未經(jīng)校準(zhǔn)和沒(méi)有參數(shù)補(bǔ)償?shù)臈l件下測(cè)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(cè)量了。

科里奧利流量計(jì)是以法國(guó)工程師、物理學(xué)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(gè)或兩個(gè)具有入口和出口的振動(dòng)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(jī)械或者化學(xué)損傷，從而保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。管子的外形有包括U形在內(nèi)的各種形狀。薄一點(diǎn)兒的管子用于氣體，厚一點(diǎn)的管子更適合于液體?？评飱W利管通過(guò)輔助的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)。

流體從入口進(jìn)入傳感器?；诹黧w對(duì)振動(dòng)管的作用來(lái)確定質(zhì)量流量。隨著流體的流出，由于管子的振動(dòng)，流體產(chǎn)生的加速度會(huì)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(zhì)量;ω代表旋轉(zhuǎn)角頻率;v為流體平均速度的矢量。

在這種力的作用下，當(dāng)流體流經(jīng)振蕩環(huán)時(shí)，管子產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。扭轉(zhuǎn)量的大小直接與通過(guò)管子的質(zhì)量流量成正比。下圖a)展示了科里奧利流管無(wú)流體時(shí)的狀況，圖b)展示了科里奧利管有流體存在時(shí)的狀況。

在無(wú)流體狀況下，管子在入口和出口的振動(dòng)相同，并且兩者之間的正弦波沒(méi)有相位差。在有流體狀況下，管子做扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)口和出口兩端振動(dòng)狀況不同并帶有一定的相位偏移(圖c)。變送器測(cè)量左右檢測(cè)信號(hào)之間的滯后時(shí)間，這個(gè)時(shí)間差乘上流量標(biāo)定系數(shù)就可確定質(zhì)量流量。

科里奧利傳感器主要缺點(diǎn)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(cè)量多種類型流體的應(yīng)用場(chǎng)合，并且氣體領(lǐng)域也越來(lái)越多地開(kāi)始應(yīng)用科里奧利流量計(jì)。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(cè)量3200t/h的質(zhì)量流量。

更多資料詳見(jiàn)由機(jī)械工業(yè)出版社出版的《現(xiàn)代傳感器手冊(cè)：原理、設(shè)計(jì)及應(yīng)用》一書(shū)。