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科氏力质量流量计的作业原理

时间:2022-05-12 18:03:33 来源:九州体育滚球

  如图一所示,截取一根支管,流体在其内以速度V从A流向B,将此管置于以角速度旋转的体系中。设旋转轴为X,与管的交点为O,因为管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度运动,此刻流体质点遭到一个切向科氏力Fc。这个力效果在测量管上,在O点两头方向相反,巨细相同,为:

  因而,直接或直接测量在旋转管道中活动的流体所发生的科氏力就能够测得质量流量。这便是科里奥利质量流量计的根本原理。

  前期规划的科氏力质量流量计的结构如图2所示。将在由活动流体的管道送进一旋转体系中,由设备在转轴上的扭矩传感器,来完结质量流量的测量。这种流量计只是在试验室中进行了试制。

  在商品化产品规划中,经过测量体系旋转发生科氏力是不切合实践的,因而均选用使测量管振荡的方法替换旋转运动。以此相同完成科氏力对测量管的效果,并使得测量管在科氏力的效果下发生位移。因为测量管的两头是固定的,而效果在测量管上各点的力是不同的,所引起的位移也各不相同,因而在测量管上构成一个附加的歪曲。测量这个歪曲的进程在不同点上的相位差,就可得到流过测量管的流体的质量流量。

  咱们常见的测量管的方式有以下几种:S形测量管、U形测量管、双J形测量管、B形测量管、单直管形测量管、双直管形测量管、形测量管、双环形测量管等,下面咱们分别对其结构作一简略介绍。

  如图3所示,这种流量计的测量体系由两根平行的S形测量管、驱动器和传感器组成。管的两头固定,管的中心部位装有驱动器,使管子振荡。在测量管对称方位上装有传感器,在这两点上测量振荡管之间的相对位移。质量流量与这两点测得的振荡频率的相位差成正比。

  当测量管中流体不活动时,两根测量管在驱动力效果下(效果在每根管子上的力巨细持平、方向相反)作对称的等振幅运动。因为管子两头是固定的,在管子中心振幅较大,到两头逐步减为零。这时在两个传感器上测得的相位如图4B所示,由图中能够看出,两传感器测得的相位差为零。当测量管内流体以速度V活动时,流体中恣意值点的流速,能够为是两个分流速的组成:水平方向Vx及笔直方向Vy(与振荡方向相同)。在安稳流条件下,流体沿水平方向的流速Vx坚持安稳。从图5中能够看出,管子的进、出口处振幅为零,流体质点笔直移动速度Vx为零;

  当流体质点有进口流进图示振荡方向的测量管时,流体质点的笔直活动速度为 Vy,相同在流体质点流向出口时,其笔直活动速度为-Vy。由此能够推出,流体质点在经过振荡的测量管时,笔直方向的速度是一个从零逐步加大,直到中心较大,再逐步减小到零的进程。由力学原理可知,速度的改变是由加速度引起的,而加速度是力效果于其上的成果。依据这个原理,称这个笔直速度改变为科氏加速度Ac,因而效果于流体质量M上的科氏力为Fc=Mac。在测量管上与中心距离持平的两点上,效果的科氏力巨细持平,方向相反。

  此科氏力效果在测量管上,就发生了如图5所示的成果,即在中心点上发生一对力,引起测量管略微的歪曲或变形。而实践上在振荡运动时是两根S管一起所受的振荡,其运动方向相反,受力持平,如图6所示。

  跟着振荡运动的进行,测量管被周期性地分隔、挨近,科氏力也周期性地效果在两根测量管上,经过设备在测量管上的位移创按其A、B,测出由科氏力引起的测量管相对方位的改变,一般转化为测两点的相位差,如图7所示。这个相位差的巨细与质量流量成正比。

  如图9所示,电磁驱动体系以固定频率驱动U形测量管振荡,当流体被强制承受管子的笔直运动时,在前半个振荡周期内,管子向上运动,测量管中流体在驱动点前发生一个向下压的力,阻止管子的向上运动,二在驱动点后发生向上的力,加速管子向上运动。这两个力的组成,使得测量管发生歪曲;在振荡的别的半周期内,歪曲方向则相反。

  测量管歪曲的程度,与流体流过测量管的值来质量流量成正比,在驱动点两头的测量管上设备电磁感应器,以测量其运动的相位差,这一相位差直接正比于流过的质量流量。

  在双U形测量管结构中,两根测量管的振荡方向相反,使得测量管歪曲相位相差180度,如图10所示。相对单测量管型来说,双管型的检测信号有所扩大,流转才干也有所前进。

  如图11所示,两根J形管以管道为中心,对称散布;设备在J形部分的驱动器使管子以某一固定的频率振荡。

  其作业原理如图12所示,当测量管中的流体以必定速度活动时,因为振荡的存在使得测量管中的流体发生一个科氏力效应。此科氏力效果在测量管上,但在上下两支管上所发生的科氏力的方向不同,管的直管部分发生不同的附加运动,即发生一个相对位移的相位差。

  在双J形管测量体系中,两根管在同一时间的振荡方向相反,加大了其上部与下部两直管间的相对位移的相位差。如图13所示,在流体不活动时,从A、B两传感器测得的位移信号的相位差为零。

  当测量管内的流体活动时,在驱动其振荡的某一方向上,科氏力发生的反效果力在测量管上的影响成果如图14所示,管1分隔和管2接近时,管1上部运动加速,下部减慢,管2则在相反的方向上相同上部加速,下部减慢;成果在上部和下部设备的传感器测得的信号之间存在一个相位差,如图15所示。这个信号的巨细直接反映了质量流量。

  如图16所示,流量测量体系由两个彼此平行的B形管组成。被测流体经过分流器被均匀送进两根B形测量管中,驱动设备设备在两管之间的中心方位,以某一安稳的谐波频率驱动测量管振荡。在测量管发生向外运动时,如图17a所示,直管部分被彼此推脱离,在驱动器的效果下回路L1和L1彼此接近,相同回路L2和L2也彼此接近。因为每个回路都由一端固定在流量计主体上,旋转运动在端区被舒缓因而会集在节点四周。

  而回路中的流体在科氏力效果下示的回路L1和L1彼此接近的速度减慢,而另一端L2和L2两回路彼此接近速度添加。

  在测量管发生向内运动时,如图17b所示,则相反的状况发生。直管段部分在驱动力的效果下彼此接近,而两断面上的两回路朝彼此脱离的方向运动。管道内流体发生的科氏力叠加在这个根本运动上会使L1和L1两回路的别离速度加速,而使L2和L2两回路的别离速度减小。

  经过在端面两回路之间公正的设备传感器,这些由科氏力引入的运动就可用来精确测定流体的质量流量。

  在管中流体不活动时,驱动器使管子振荡,管中流体不发生科氏力,A、B两点受力持平,改变速度相同,如图19b所示。

  当测量管中流体以速度V在管中活动时,因为遭到C点振荡力的影响(此刻的振荡力是向上的),流体质点从A点运动到C点时被加速,质点发生反效果力F1,使管子向上运动速度减慢;而在C点到B点之间,流体质点被减速,使管子向上的运动速度加速。成果在C点两头的这两个方向相反的力使管子发生一个变形,这个变形的相位差与测管中流体流过的质量流量成正比。

  相对单直管来说双直管形可削减压力丢失,加大传感器感触信号,真实践中的结构如图20所示,驱动器安放与中心方位,两个光电传感器只与中心两头对称方位上,其间图20a所示结构测量管受轴向力的影响很小。双直管形质量流量计的作业原理如图21所示,当流体不活动时,光电传感器遭到的管子所发生的位移的相位是相同的;当流体介质流过两根振荡的测量管时,便发生了科里奥利力,这个力使测量管的振点两头发生相反的位移,振点之前的测管中流体介质使管子振荡衰减,即管子位移速度减慢;振点之后的测管中流体介质使振荡加强,即管子位移速度加速。经过光电传感器,测得两头的相位差,这个相位差在振荡频率必守时正比与测管中的质量流量。

  这种流量计的结构如图22所示,驱动器放在直管部分的中心方位,当管中流体以必定速度活动时,因为驱动器的振荡效果,使管子分隔或接近

  如图23a,当管子分隔时,在振点前的流体中发生的科里奥利力与振荡力方向相反,减慢管子的运动速度;而在振点之后管中流体发生的科氏力与振荡方向相同,加速管子的运动速度。当驱动器使管子接近时,如图23b,则发生相反的成果。在A、B两点的传感器可测的两处管字运动的相位差,由此可得到流过测管中流体的质量流量。

  这种流量计有一对平行的带有短直管的螺旋管组成,如图24所示。在管子的中心方位D装有驱动器,使两根测量管遭到周期性的相反的振荡,在椭圆螺旋管的两头,与中心点D等距离方位上,设置两个传感器,测量这两点的管子间相对运动速度,这两个相对运动速度的相位差与流过测量管中的流体质量流量成正比。

  其作业原理简述如下:当测管中流体不活动时,振荡力使管子发生的变形,在中心点两头是相同的,传感器处的两测点上,测得的振荡位移的相位差为零,当测管中流体活动时,在振幅较大点之前,流体质点因为遭到科氏力的效果发生一个与振荡方向相反的效果力,而在这点之后发生一个与振荡方向相同的效果力,因为在同一时间两根测量管所遭到的效果力巨细持平,方向相反,因而反映在两传感器处测点上管子的运动速度得到加大或减小,测量这两点的相位差就可得到经过测量管流体的质量流量。

  在一个测量体系中,流体质点效果在测量管上的科氏力是很小的,这给精确的测量带来很大的困难。为使测量管发生满足强的信号,就应加大科氏力对测量管的效果或在相同的科氏力的效果下加大测量管的变形。从原理上讲Fc=2VM,在被测流体必守时,只要加大或V,才干前进Fc。实践中的添加,在外表上就需要前进振荡频率和振荡的振幅。振荡频率的前进,严重地影响测量管的寿数,而振幅的前进就需供给较大的动力。V的添加便是添加流速,这样即添加了测量管上的静压,也加大流量计对整个体系的压力丢失。这些对流量计自身和整个体系都是晦气的。

  另一方面从结构规划上,就要考虑前进科氏力效果在振荡管上的功率及前进传感器的检测才干,对后者功能的前进在此不评论。要想前进科氏力效果在测量管上的功率,必须在结构外形上前进测量管全体的体系弹性,削减钢性,选用弹性好、功能安稳的资料,并正确挑选体系的振荡频率。以到达相同的科氏力效果下,测量管的变形量添加。一般来说,测量管的管壁越薄,长度越长,结构外形的体系弹性越好,效果在管上的科氏力就越显着。这样可使测量管的变形加大,信噪比添加,还可削减外界带来的搅扰。测量管上所受的应力不要过于会集在一点上,避免形成机械疲乏。应力效果的方式不同,也对管子的疲乏和测量灵敏度形成必定的影响。关于不同的结构,因为其规划思路不同,各有特色,但也存在着一些标题,每一种方式均不或许到达一无是处。针对这些标题,制造厂商也不断地对其产品进行改进,以前进其产品的功能,增强其竞争才干。下面就详细的结构对功能的影响进行简略剖析。

  测量体系弹性的添加,加大了效果于振荡管体系的科氏力的效应,但也加大外界机械噪声的搅扰和外表体积。测量管应尽量削减急剧曲折,较大或许的加大测量管内径,这样能够削减压力丢失。双测量管型的信噪比得到添加,流转才干也添加,别遍及选用。

  壁厚添加使管子更具有刚性,也添加了活动时管子的固定质量,削减了流体中搀杂气体时,因为其散布的不均匀引起比重改变对管子振荡的影响,一起前进测量管耐压、耐磨性,但会下降体系弹性,影响测量的灵敏性。

  测量管的外形在制造进程应确保其对称性,在双测量管结构中应确保两根管的一致性,传感器的定位要正确,以削减测量中因为密度或粘度改变对测量成果的影响。流量质量分配的不安稳性,给测量成果的正确性带来影响。

  从原理上讲,测量管所受科氏力的巨细只与流体的质量流量有关,与流体密度、粘度无关。但密度的改变会带来附加的惯性力;而粘度的改变时测量管的内壁附着层不同,发生不同的边界层效应。成果引起测量管的质量分配不安稳,对测量成果的正确度带来影响。(end)

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