科里奥利质量流量计的现状与未来

2013-08-09 13:24:58来源: 21ic
引言

质量流量计现在受到用户的青睐,是由于它能直接测量管道内流体的质量流量,而不必像过去那样,分别测量被测流体的体积流量和密度,然后计算求得。此外,它的精度和稳定度较高,量程比也比较大,但是其性能价格比太高。对制造厂商而言,这是个利润颇丰的产品,所以对此产品的开发、试制和推销,一直是积极的。

原理

柯氏质量流量计的原理,实质是利用一个弹性体的共振特性:队友流体流动和无流体流动的振动(在共振区附近)的金属管元件,测定其动态响应特性,求出此谐振系统的相位差(时间差)与质量流量之间的关系。而有流体流动的金属管元件谐振的动态响应特性,与无流体流动的金属管的动态响应特性之间的差别,是由于Coriolis效应引起的。所谓柯氏效应,是指当质点在一个转动参考系内作相对运动时,会产生一种不同于通常离心力的惯性力作用在此质点上。其大小与方向可用2mvXw(公式)来表示。这是法国科学家Coriolis首先发现的。利用上述原理的弹性元件构成的流量计又称为柯氏质量流量计。所以要在理论上分析、发展质量流量计,其难点实质上是来计算弹性金属管的动态谐振特性。这主要是靠固体力学理论对弹性体作振动分析来确定。现有的文献报道,一种是对挠性管进行动态响应分析。

1. 挠性管的动态响应分析

(i) 挠性曲管的分析
Hemp and Sultan (Cranfield Institute of Technology, England) 用Euler梁理论,对挠性曲管的谐振的动态响应进行过分析,并结合U-型管作了具体计算。

a. 方程(Oscillating tube of cruved part)

对于不同的几何形状,上述的一般性公式和边界条件还可以在进一步简化。譬如,对弹性金属管的直管部分,可以令a趋于无穷即可。

b. 边界条件

在端点上,有在不同形状的管段的连接点上,有

c. 数值求解和计算结果

作者计算出了U-型元件的基频和其谐振的振动模态(位移模态和弯曲模态),以及其相位和流量之间的关系式,理论计算值与实验值吻合得很好。

(ii) 挠性直管的分析

Raszillier and Durst(University of Erlangen,Germany)用Euler梁理论,考虑流体是运动弦,对一维挠性直管的谐振的动态响应进行了分析

a. 方程(Oscillating tube of staight part )

b. 边界条件

c. 数值求解和计算结果

作者用了颇为复杂的求解过程,计算出了有流体流动和无流体流动的直管的基频和其谐振的位移振动模式,并由此计算出相位差和流量之间的关系。

2. 刚性直管的动态响应分析

Cascetla假定直观是刚性的,可以避免计算上述弹性管的基频和其谐振的位移振动模态,从而可进一步简化计算,最后也可得到根简单的结果:振动位移和流量之间的关系。

实用设计问题

上述谐振的动态响应分析,虽很细致但是学院式的。工程师最关心的是指导弹性管的共振频率及气管壁的应力分布和抵抗疲劳的强度是否足够。最简单的办法是用结构分析软件包SAP,或ANSYS进行分析计算。

弹性元件的选择

从力学角度来看,对质量流量计进行设计,首先要选择合适的一次感受元件,以便尽可能提高一次元件的Coriolis效应。这包括感受元件最佳形状的选择,以及弹性金属管的最佳材料和壁厚的选择。元件的形状,大体上可以归纳为四类,即:弯管形和直管形;单管形和多管形(双管形)。在选形时,其原则主要是要平衡所选的一次元件的性能,最佳使用范围和成本这三个因素。一般地讲,所选的形状愈复杂,其Coriolis效应就愈高,但生产工艺和技术就愈复杂,因而其成本就愈高。通常一次元件总是归属于上述的四类中的两类形式的结合:如弯管形和双管形的结合。
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关键字:质量流量计  科里奥利  力学角度

编辑:什么鱼 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0809/article_7700.html
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