科氏力質(zhì)量流量計(jì)的工作原理和典型結(jié)構(gòu)特性
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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(diǎn)為O，由于管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)切向科氏力Fc。這個(gè)力作用在測(cè)量管上，在O點(diǎn)兩邊方向相反，大小相同，為：
δFc ＝ 2ωVδm
因此，直接或間接測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)的流體所產(chǎn)生的科氏力就可以測(cè)得質(zhì)量流量。這就是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)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(jì)
早期設(shè)計(jì)的科氏力質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。將在由流動(dòng)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(lái)完成質(zhì)量流量的測(cè)量。這種流量計(jì)只是在試驗(yàn)室中進(jìn)行了試制。
在商品化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生科氏力是不切合實(shí)際的，因而均采用使測(cè)量管振動(dòng)的方式替代旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。以此同樣實(shí)現(xiàn)科氏力對(duì)測(cè)量管的作用，并使得測(cè)量管在科氏力的作用下產(chǎn)生位移。由于測(cè)量管的兩端是固定的，而作用在測(cè)量管上各點(diǎn)的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在測(cè)量管上形成一個(gè)附加的扭曲。測(cè)量這個(gè)扭曲的過(guò)程在不同點(diǎn)上的相位差，就可得到流過(guò)測(cè)量管的流體的質(zhì)量流量。
我們常見(jiàn)的測(cè)量管的形式有以下幾種：S形測(cè)量管、U形測(cè)量管、雙J形測(cè)量管、B形測(cè)量管、單直管形測(cè)量管、雙直管形測(cè)量管、Ω形測(cè)量管、雙環(huán)形測(cè)量管等，下面我們分別對(duì)其結(jié)構(gòu)作一簡(jiǎn)單介紹。
1． S形測(cè)量管質(zhì)量流量計(jì)
如圖3所示，這種流量計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)由兩根平行的S形測(cè)量管、驅(qū)動(dòng)器和傳感器組成。管的兩端固定，管的中心部位裝有驅(qū)動(dòng)器，使管子振動(dòng)。在測(cè)量管對(duì)稱位置上裝有傳感器，在這兩點(diǎn)上測(cè)量振動(dòng)管之間的相對(duì)位移。質(zhì)量流量與這兩點(diǎn)測(cè)得的振蕩頻率的相位差成正比。
圖3 S形質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)
圖4 無(wú)流動(dòng)時(shí)位移傳感器的輸出
圖5 振動(dòng)管受力分析
此科氏力作用在測(cè)量管上，就產(chǎn)生了如圖5所示的結(jié)果，即在中間點(diǎn)上產(chǎn)生一對(duì)力，引起測(cè)量管輕微的扭曲或變形。而實(shí)際上在振蕩運(yùn)動(dòng)時(shí)是兩根S管同時(shí)所受的振蕩，其運(yùn)動(dòng)方向相反，受力相等，如圖6所示。
圖6 作用在測(cè)量管上的科氏力
圖7 位移傳感器的輸出
如圖8所示，U形管為單、雙測(cè)量管兩種結(jié)構(gòu)，單測(cè)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)
評(píng)論