谐振式环形管科里奥利质量流量计

    1　引言

    在石油、化工、核能、造纸、食品加工等工业领域中质量流量的计量是很重要的。计量质量流量的仪表有很多,其中coriolis质量流量计以其独特的优点(测量结果不受流体的温度、压强、密度和粘度等参数变化的影响)倍受广大用户的青睐。自70年代Micro Motion公司^[1]第一个推出基于coriolis原理的质量流量计以来,世界上一些著名仪表制造商先后推出十几种coriolis质量流量计^[2],这些产品主要差别在于测量管的形状和流量信号的检测方式。目前,测量管的形状主要有:双U形、双Ω形、双环形、双B形、双直管形和单直管形,检测信号传感器的形式主要有:电磁式、电容式和光电式。

    80年代中,我国石油、化工行业开始引进corio-lis质量流量计,用于两相流和多相流质量流量检测。90年代,上海工业自动化仪表研究所、中国测试技术研究院等单位研制出双U形管coriolis质量流量计,其主要技术指标接近或达到80年代中期国外同类产品的水平^[3～5]。本文提出一种谐振式环形管coriolis质量流量计,其结构形状与EXAC公司推出的双环形coriolis质量流量计^[6,7]有点相似,但其工作原理完全不同。谐振式环形管coriolis质量流量计,采用驱动模态与coriolis模态的固有频率相等的特性,连续地检测质量流量;利用自激振荡原理、频率跟踪法,检测驱动模态的固有频率,然后得到流体的密度值。

    2　结构与工作原理

    为了使质量流量计具有较高的灵敏性,以及使流体经过质量流量计压强损失较小和环形管固定端应力受力合理,采用了环形管结构(见图1)。环形管两端A和B固定于基座,4个管子在环形管中间C处两两相连,在环形管中间的另一端D处放置电磁激振器,E和F端放置两个电磁传感器。环形管的形状及结构参数对整个质量流量计的最佳性能来讲是非常重要的,尤其是驱动模态和coriolis模态的固有频率的选取。当驱动模态和coriolis模态的固有频率相等时,信噪比达到最大。通过对谐振式环形管coriolis质量流量计有限元建模分析,驱动模态和coriolis模态的固有频率与管子尺寸L、H、L⑦和其厚度有关。通过对它们选取适当的数值,就可以使驱动模态和coriolis模态的固有频率相等。

    两环形管在电磁激励器的激励下,以其固有频率振动,两环形管振动方向相反。当管内有流体流过时,流体就得到coriolis加速度,环形管就受到一个与此加速度方向相反的corilolis力。由于环形管的两侧所受到的coriolis力方向相反,而使环形管发生扭转,最大扭转角度与coriolis力大小有关,而coriolis力大小又与质量流量大小有关,因此最大扭转角与质量流量有关。通过电磁式位置传感器或电磁式速度传感器测量最大扭转角,就可得到质量流量的大小。