質(zhì)量流量計(jì)的工作原理和典型結(jié)構(gòu)
科氏力式質(zhì)量流量計(jì)一般由傳感器和信號(hào)處理系成，而流量傳感器又是一種基于科里奧利力效應(yīng)的諧振式傳感器。這種傳感器的敏感元件——振動(dòng)管，是處于諧振狀態(tài)的空心金屬管，又稱(chēng)測(cè)量管。科氏力式質(zhì)量流量傳感器的測(cè)量管有各種不同的結(jié)構(gòu)形式，按照傳感器測(cè)量管的數(shù)量可將其分為單管型、雙管型和連續(xù)管型三種結(jié)構(gòu)。單管型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不存在分流問(wèn)題，管路清洗方便。一般地說(shuō)，它對(duì)外來(lái)振動(dòng)比較敏感。雙管型結(jié)構(gòu)容易實(shí)現(xiàn)相位差的測(cè)量，可以較好地克服外來(lái)振動(dòng)的影響，并對(duì)提高振動(dòng)系統(tǒng)的Q值有利。目前大多數(shù)產(chǎn)品均采用這種結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)同時(shí)帶來(lái)的問(wèn)題是兩測(cè)量管中流過(guò)的流量不可能做到絕對(duì)相等，其中的沉積物和磨蝕也不可能絕對(duì)一致，從而引起附加誤差。而且在兩相流工作狀態(tài)下，難以作到兩測(cè)量管中流體分布的均勻一致，以致影響振動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。隨著單管型結(jié)構(gòu)中測(cè)量管系統(tǒng)的振動(dòng)不平衡問(wèn)題的解決，單管型結(jié)構(gòu)仍具有一定的發(fā)展前景。連續(xù)管型是一種特殊形式的單管．它以環(huán)繞兩圈的單管結(jié)構(gòu)試圖集單、雙管型的優(yōu)點(diǎn)于-身。根據(jù)測(cè)量管的形狀，又可分為直管型和彎管型兩大類(lèi)。直管型一般外形尺寸小且不易于積存氣體，但由于其振動(dòng)系統(tǒng)剛度大，諧振頻率高，相位差為微秒級(jí)，電信號(hào)的處理就比較困難。為了不使諧振頻率過(guò)高，管壁必須較薄，以致其耐磨及抗腐蝕性能較差。彎管型的振動(dòng)系統(tǒng)剛度較低，諧振頻率也較低，相位差為毫秒級(jí)，電信號(hào)較易處理，同時(shí)可選用較厚的管壁，因此，其耐磨及抗腐蝕性能較好。但彎管型由于管形復(fù)雜，容易積存殘?jiān)皻怏w，引起附加誤差，其結(jié)構(gòu)尺寸也比較大。目前，大多數(shù)科氏力式質(zhì)量流量計(jì)均采用彎管型結(jié)構(gòu)。圖2-5列舉了科氏力式質(zhì)量流量傳感器測(cè)量管的部分管圖型。
一、直管型質(zhì)量流量計(jì)、
直管型質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量管是直管。如前所述，其特點(diǎn)是整個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，便于安裝，氣體易于排出測(cè)量管，同時(shí)亦便于較粘液體的排空。直管的振動(dòng)頻率較高，一般在600～1200Hz，約為一般工業(yè)頻率的10多倍，因而其抗振性能較好。下面首先以雙直管型質(zhì)量流量計(jì)為例，簡(jiǎn)述其結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理。
圖2-6為雙直管型質(zhì)量流量傳感器的一種典型結(jié)構(gòu)的示意圖。雙直管型質(zhì)量流量傳感器主要由測(cè)量管、電磁驅(qū)動(dòng)器、信 檢測(cè)器、電源板和放大器板、支承管以及殼體等幾部分組成。號(hào)檢測(cè)器可以采用光電式和電磁式兩種檢測(cè)方式中的一種。在這種結(jié)構(gòu)中，兩根測(cè)量管平行地焊接在兩側(cè)的聯(lián)管器上，并通過(guò)法蘭體可靠地固定在支承管上。測(cè)量管的材質(zhì)為鈦合金或鋯合金，因而具有較高的強(qiáng)度、彈性以及較好的耐腐蝕、耐高性能。支承管外包裹著一層厚厚的發(fā)泡材料。支承管內(nèi)被抽成真空，以防潮濕氣體在測(cè)量管外結(jié)霜，引起測(cè)量誤差，同時(shí)起到隔熱作用，使測(cè)量管的溫度與工藝管道內(nèi)介質(zhì)的溫度保持一致，并能防止測(cè)量管內(nèi)介質(zhì)的熱量擴(kuò)散到電路部分，影響其工作性能。此外，測(cè)量管上還安裝有RTD溫度傳感器，檢測(cè)測(cè)量管的溫度，用來(lái)對(duì)質(zhì)量流量和密度測(cè)量中由測(cè)量管材質(zhì)的彈性模量隨溫度變化引起的溫度結(jié)構(gòu)誤差進(jìn)行補(bǔ)償，以提高測(cè)量準(zhǔn)確度。
雙直管型質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量原理如圖2-7所示。兩根平行直管，兩端固定，在其中部O (0’)點(diǎn)處，裝有電磁驅(qū)動(dòng)器，用來(lái)激勵(lì)測(cè)量管振動(dòng)，在測(cè)量管進(jìn)、出口兩側(cè)對(duì)稱(chēng)位置z1(x1，)、X2 (X2’)處，裝有信號(hào)檢測(cè)器，用來(lái)檢測(cè)兩測(cè)量管相對(duì)振動(dòng)的位移。信號(hào)檢測(cè)器、信號(hào)放大處理電路及電磁驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成一套正反饋?zhàn)约ふ袷幭到y(tǒng)。電磁驅(qū)動(dòng)器的激勵(lì)，可以克服系統(tǒng)的阻尼，維持系統(tǒng)在諧振頻率下的振動(dòng)。因?yàn)橄到y(tǒng)的阻尼一般都很小，這一自激振蕩的諧振頻率與系統(tǒng)的固有頻率很接近，維持振動(dòng)所需要的能量也不大。如圖2- 7所示，在驅(qū)動(dòng)器激勵(lì)下，兩根直管在所在平面內(nèi)作相對(duì)振動(dòng)，相位相差180。，Pl P2和P1'P2’分別是兩測(cè)量管的振動(dòng)中心位置。在振動(dòng)過(guò)程中的每一瞬時(shí)，都可將直管的振動(dòng)視為一回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。例如，當(dāng)測(cè)量管I離開(kāi)中心位置向Pi AP2方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)量管左半部管子可近似看成逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，而右半部管子則可看成順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。測(cè)量管Ⅱ由于與測(cè)量管T相位相差180。，在同一瞬時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)的方向也與測(cè)量管T相反。
當(dāng)測(cè)量管中無(wú)流體流動(dòng)時(shí)，測(cè)量管處于上述單一振型的振動(dòng)狀態(tài)。我們稱(chēng)這一振動(dòng)狀態(tài)為主振動(dòng)。在這種振動(dòng)狀態(tài)下，測(cè)量管進(jìn)、出口側(cè)在返回中心位置的運(yùn)動(dòng)中，通過(guò)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)間是相同的。而當(dāng)流體以速度y沿兩測(cè)量管流動(dòng)時(shí)，測(cè)量管的振動(dòng)狀態(tài)將被流體的質(zhì)量流量所調(diào)制。 如圖2—8a所示，為分析簡(jiǎn)單起見(jiàn)，圖中只畫(huà)出了一根測(cè)量管的運(yùn)動(dòng)和受力狀況。設(shè)在某瞬時(shí)，測(cè)量管在位置PlBP2，并向上運(yùn)動(dòng)。如上所述，這時(shí)，左右兩半部管子可分別近似看成是逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)和順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，設(shè)瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為n。顯然，角速度n也是交變的，其交變頻率與主振動(dòng)頻率相同。質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)上一節(jié)中所闡明的里奧利力效應(yīng)可知，當(dāng)振動(dòng)管中有流體流動(dòng)，在該瞬時(shí)，于測(cè)量管進(jìn)口側(cè)的任一點(diǎn)M處，流體質(zhì)點(diǎn)的科氏加速度a1勺方向是垂直于測(cè)量管向上。此時(shí)，測(cè)量管所受到的流體科氏力fc即是垂直于測(cè)量管向下，與管子進(jìn)口側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，使振動(dòng)減弱。而在測(cè)量管的出口側(cè)，與M點(diǎn)對(duì)稱(chēng)的位置M 7處，測(cè)量管所受到的流體科氏力F：則垂直于測(cè)量管向上，與管子出口側(cè)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向相同，使振動(dòng)增強(qiáng)。即在這一時(shí)刻，測(cè)量管受到來(lái)自左、右兩半部管子的大小相等、方向相反的科氏力。
當(dāng)測(cè)量管向中心位置返回時(shí)，如圖2—8b所示，測(cè)量管左、右半部的瞬時(shí)角速度將變換方向。于是，在進(jìn)、出口側(cè)-測(cè)量管.....所受流體科氏力也都變換了方向。
這樣，當(dāng)流體在處于振動(dòng)狀態(tài)的測(cè)量管中流動(dòng)時(shí)，左半部和右半部的管道將分別受到來(lái)自流體的大小相等、方向相反的科氏力，從而構(gòu)成使測(cè)量管扭曲的力矩。該力矩是交變的，其交變頻率與測(cè)量管主振動(dòng)的頻率相同。于是，測(cè)量管將在原振型的基礎(chǔ)上，疊加同頻率的扭曲振動(dòng)，扭曲振動(dòng)的幅度，取決于流體的質(zhì)量流量。在這種同一頻率的主振動(dòng)和扭曲振動(dòng)的復(fù)合振動(dòng)狀態(tài)下，測(cè)量管進(jìn)、出口側(cè)通過(guò)振動(dòng)中心檢測(cè)點(diǎn)XI (X'I)和X2(X'2)的時(shí)間便產(chǎn)生了時(shí)間差A(yù)t，可以證明，時(shí)間差A(yù)t與流體的質(zhì)量流量qm成正比，這樣，就可以通過(guò)測(cè)量?jī)蓹z測(cè)信號(hào)的時(shí)間差，直接測(cè)量流體的質(zhì)量流量。
圖2 -9是一種（彈性平衡擺與測(cè)量管振動(dòng)）互補(bǔ)式單直管型質(zhì)量流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。為了達(dá)到良好的振動(dòng)隔離效果，在測(cè)量管中部連接有一個(gè)彈性平衡擺，應(yīng)用動(dòng)量守恒定律和而可有效地消除單直管系統(tǒng)振動(dòng)的不平衡問(wèn)
題。這種傳感器可設(shè)計(jì)成雙層殼體結(jié)構(gòu)，內(nèi)、外兩層殼體均具有一定的耐壓性。在內(nèi)層殼體中抽以真空，而在內(nèi)、外層殼體中間則充以氮?dú)猓乐钩睗駳怏w在測(cè)量管外壁結(jié)霜外，還可減小測(cè)量管振動(dòng)的阻尼。此外，由于這種結(jié)構(gòu)可以作成不縮徑的直通式測(cè)量管，因而具有流通能力大、壓損小、清洗更方便等特點(diǎn)。
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