科里奥利质量流量计动态特性的研究

　　0　引言

　　科里奥利质量流量计(CMF)是一种用于直接测量质量流量的流量计,它在原理上消除了温度、压力、流体状态、密度等参数的变化对测量精度的影响,可以适应气体、液体、两相流、高粘度流体和糊状介质的测量,是一种高精度的适应范围很广的测量方法,它还具有压力损失小、自排空、保持清洁等众多特点,是流量测量的发展方向之一。

　　科里奥利质量流量计,是利用流体流过振动管道时产生科里奥利效应对管道两端振动相位的影响来测量流过管道的流体质量的。要深入了解CMF的工作情况并改进CMF的性能,有必要研究CMF的振动模态。其作用有:

　　①为了容易激振,一般都选择测量管的谐振频率作为激振频率;

　　②选择合适的激振频率避开工业现场的干扰,会给信号分离带来便利;

　　③激振器、拾振器和电路的设计及信号的处理都需要了解振动频率;

　　④拾振器的布置需要了解CMF的模态;

　　⑤结构优化,应力、应变以及疲劳寿命的计算;

　　⑥可以利用CMF系统中的振动信号进行状态监测和故障预报;

　　⑦了解振动的过程,得到偏离理想振动下的误差以及补偿;

　　⑧了解干扰振动带来的误差,采取措施来消除或防止系统可能出现的干扰振动,从而确保CMF的精度和可靠性。

　　1　科里奥利质量流量计测量原理概述

　　科里奥利流量计有多种形式,下面以单直管科里奥利流量计为例来讨论。

　　如图1所示,测量管的中间设置有激振装置,两端设置有拾振传感器。没有流体流过的时候,管子的振动如图1a所示,管子两端的振动状态相同。当流体流过振动管道时,就产生和激振频率相同的科里奥利加速度和科里奥利力,如图1b所示,AC段和CB段的科里奥利力大小相同,方向相反,作用叠加在测量管上,使管子产生了扭曲和振动相位变化。科里奥利力和流过管道的流体密度和流速成正比(即质量流量)。对于线性系统,可知质量流量和相位差成正比。

　　管道中流体的科里奥利加速度为流体微元所受到的科里奥利力。入口段和出口段的瞬时振动角速度方向相反。可见入口段科里奥利力与振动方向相反,使振动减弱和滞后;出口段科里奥利力与振动方向相同,使振动加强和提前。

　　根据两端固定支承梁的振动方程和所受的科里奥利力,可以得出两侧检测点的振动信号相位差和质量流量成正比的结论:

　　式中:K为常数;E为弹性模量;qm为质量流量。

　　如图2所示,是单直管科氏质量流量计的一种方案,由测量管、支承管、套管、电磁激振器、拾振器(电磁振动传感器)和联接法兰等组成。