科里奥利质量流量计的工作原理及分类
仪器网 · 2012-07-14 23:41 · 46942 次点击
科里奥利质量流量计(coriolismassflowmeter,简称CMF)是利用流体在振动管中流动时能产生与流体质量流量成正比的科里奥利力这个原理制成的。
A基本原理和科里奥利力
由力学理论可知,当一个位于旋转系内的质点做朝向或者离开旋转中心的运动时,质点要同时受到旋转角速度和直线速度的作用,即受到科里奥利力的作用。如图4-69所示,当质量为。的质点,以匀速。,在一个围绕旋转轴P以角速度。旋转的管道内,轴向移动时,这个质点将获得两个加速度分量:
(1)法向加速度,即向心加速度a,,其值等于。w2r,方向指向P轴。
(2)切向加速度,即科里奥利加速度a,,其值等于2wv,方向与a,垂直,正方向符合右手定则,如图4-69所示。
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为了使质点具有科里奥利加速度ai,,需在ai的方向上加一个大小等于2mwv的力,该力来自于管道壁面。根据作用力与反作用力原则,质点也对管壁施加一个大小相等、方向相反的力。这个力就是质点施加在管道上的科里奥利力,Fc,方向与a。相反,其大小为
Fc=2mwv(4一176)
式中Fc—质点所受科里奥利力,N;
m—质点的质量,kg;
w—管道绕P轴旋转的角速度,1/s;
v—质点在管道内匀速运动速度,m/s
同理,当密度为P的流体以恒定流速v,沿图4-69所示的旋转管道流动时,任何一段长度为Ox的管道都将受到一个大小为△Fc的切向科里奥利力
为X的管道都将受到一个大小为Fc的切向科里奥利力
[attach]50197[/attach]
式中A--管道的内截面积,m2
由于质量流最qm=pvA,因此从式(4-177)可得质量流量为
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可见,只要能直接或者间接地测量出在旋转管道中流动的流体作用于管道的科里奥利力,就可以测得流体通过管道的质量流量。
在实际工业应用中,要使流体通过的管道围绕P轴以角速度。旋转,显然是不切合实际的。这也是早期的科里奥利质量流量计始终未能走出实验室的根本原因。经过几十年的探索,人们终于发现,使管道绕P轴以一定频率上下振动,也能使管道受到科里奥利力的作用。而且,当充满流体的管道以等于或接近于其自振频率振动时,维持管道振动所需的驱动力是很小的。这样就从根本上解决了科里奥利质量流量计的结构问题。
B组成与分类
科里奥利质量流量计主要由传感器和转换器两部分组成。转换器用于使传感器产生振动,检测时间差△t的大小,并将其转换为质量流量。传感器用于产生科里奥利力,其核心是测量管(振动管)。科里奥利质量流量计按测量管形状可分为直管型和弯管型两种,按照测量管的数目又可分为单管型和多管型(一般为双管型)两类。
弯管型测量管具有管道刚度小、自振频率低的优点,可以采用较厚的管壁,仪表耐磨、耐腐蚀性能较好,但易存积气体和残渣而引起附加误差。相反,直管型测量管不易存积气体和残渣.且传感器尺寸小、重量轻,但自振频率高,为使自振频率不至于太高,往往管壁做得较薄,易受磨损和腐蚀。单管型测量管不分流,测量管中流量处处相等,对稳定零点有好处,也便于清洗,但易受外界振动的干扰,仅见于早期的产品和一些小口径仪表。双管型测2管由于实现了两管相位差的测贫,可降低外界振动干扰的影响。
实际应用中,测量管的形状多采用上述儿种类型的组合,主要有:U形、环行(双环、多环)、直管型(.单直、双直)及螺旋形等几种。尽管科里奥利质量流量计的测量管结构千差万别,但基本原理相同。
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