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科里奧利質(zhì)量流量計的現狀與未來(lái)
作者：
時(shí)間：2013-08-09
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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引言
質(zhì)量流量計現在受到用戶(hù)的青睞，是由于它能直接測量管道內流體的質(zhì)量流量，而不必像過(guò)去那樣，分別測量被測流體的體積流量和密度，然后計算求得。此外，它的精度和穩定度較高，量程比也比較大，但是其性能價(jià)格比太高。對制造廠(chǎng)商而言，這是個(gè)利潤頗豐的產(chǎn)品，所以對此產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、試制和推銷(xiāo)，一直是積極的。
原理
柯氏質(zhì)量流量計的原理，實(shí)質(zhì)是利用一個(gè)彈性體的共振特性：隊友流體流動(dòng)和無(wú)流體流動(dòng)的振動(dòng)（在共振區附近）的金屬管元件，測定其動(dòng)態(tài)響應特性，求出此諧振系統的相位差（時(shí)間差）與質(zhì)量流量之間的關(guān)系。而有流體流動(dòng)的金屬管元件諧振的動(dòng)態(tài)響應特性，與無(wú)流體流動(dòng)的金屬管的動(dòng)態(tài)響應特性之間的差別，是由于Coriolis效應引起的。所謂柯氏效應，是指當質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)轉動(dòng)參考系內作相對運動(dòng)時(shí)，會(huì )產(chǎn)生一種不同于通常離心力的慣性力作用在此質(zhì)點(diǎn)上。其大小與方向可用2mvXw(公式)來(lái)表示。這是法國科學(xué)家Coriolis首先發(fā)現的。利用上述原理的彈性元件構成的流量計又稱(chēng)為柯氏質(zhì)量流量計。所以要在理論上分析、發(fā)展質(zhì)量流量計，其難點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是來(lái)計算彈性金屬管的動(dòng)態(tài)諧振特性。這主要是靠固體力學(xué)理論對彈性體作振動(dòng)分析來(lái)確定?，F有的文獻報道，一種是對撓性管進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應分析。
1． 撓性管的動(dòng)態(tài)響應分析
（i） 撓性曲管的分析
Hemp and Sultan (Cranfield Institute of Technology, England) 用Euler梁理論，對撓性曲管的諧振的動(dòng)態(tài)響應進(jìn)行過(guò)分析，并結合U-型管作了具體計算。
a. 方程（Oscillating tube of cruved part） 
對于不同的幾何形狀，上述的一般性公式和邊界條件還可以在進(jìn)一步簡(jiǎn)化。譬如，對彈性金屬管的直管部分，可以令a趨于無(wú)窮即可。
b. 邊界條件 
在端點(diǎn)上，有在不同形狀的管段的連接點(diǎn)上，有
c. 數值求解和計算結果 
作者計算出了U-型元件的基頻和其諧振的振動(dòng)模態(tài)（位移模態(tài)和彎曲模態(tài)），以及其相位和流量之間的關(guān)系式，理論計算值與實(shí)驗值吻合得很好。
（ii） 撓性直管的分析
Raszillier and Durst(University of Erlangen,Germany)用Euler梁理論，考慮流體是運動(dòng)弦，對一維撓性直管的諧振的動(dòng)態(tài)響應進(jìn)行了分析
a. 方程(Oscillating tube of staight part ) 
b. 邊界條件 
c. 數值求解和計算結果
作者用了頗為復雜的求解過(guò)程，計算出了有流體流動(dòng)和無(wú)流體流動(dòng)的直管的基頻和其諧振的位移振動(dòng)模式，并由此計算出相位差和流量之間的關(guān)系。
2． 剛性直管的動(dòng)態(tài)響應分析
Cascetla假定直觀(guān)是剛性的，可以避免計算上述彈性管的基頻和其諧振的位移振動(dòng)模態(tài)，從而可進(jìn)一步簡(jiǎn)化計算，最后也可得到根簡(jiǎn)單的結果：振動(dòng)位移和流量之間的關(guān)系。
實(shí)用設計問(wèn)題
上述諧振的動(dòng)態(tài)響應分析，雖很細致但是學(xué)院式的。工程師最關(guān)心的是指導彈性管的共振頻率及氣管壁的應力分布和抵抗疲勞的強度是否足夠。最簡(jiǎn)單的辦法是用結構分析軟件包SAP,或ANSYS進(jìn)行分析計算。
彈性元件的選擇
從力學(xué)角度來(lái)看，對質(zhì)量流量計進(jìn)行設計，首先要選擇合適的一次感受元件，以便盡可能提高一次元件的Coriolis效應。這包括感受元件最佳形狀的選擇，以及彈性金屬管的最佳材料和壁厚的選擇。元件的形狀，大體上可以歸納為四類(lèi)，即：彎管形和直管形；單管形和多管形（雙管形）。在選形時(shí)，其原則主要是要平衡所選的一次元件的性能，最佳使用范圍和成本這三個(gè)因素。一般地講，所選的形狀愈復雜，其Coriolis效應就愈高，但生產(chǎn)工藝和技術(shù)就愈復雜，因而其成本就愈高。通常一次元件總是歸屬于上述的四類(lèi)中的兩類(lèi)形式的結合：如彎管形和雙管形的結合。
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