环形科里奥利质量流量计的有限元分析

　　1　引　　言

　　科里奥利(Coriolis)质量流量计主要由振动管(测量管)、传感器、信号处理和激振系统组成。振动管是Coriolis质量流量计的关键部件,它直接决定了流量计的测量精度及测量范围,决定了激振系统和传感器的参数设计。振动管的形状主要有:双U形[1]、双环形[2]、双Ω形、双B形、双直管形和单直管形等[3]。到目前为止,对双环形管质量流量计研究发表的文章非常少,关于环形管结构对质量流量计性能影响的文章,还未见公开报道。本文利用有限元方法对环形管质量流量计的环形管结构进行了研究分析,旨在探讨环形管的形状尺寸对质量流量计性能的影响。

　　2　工作原理和有限元分析

　　双环形Coriolis质量流量计的振动管结构如图1所示。环形管两端A、B固定于基座,四根管子在中心轴C处两两相连,在环形管的中间D处安装激振器,在两圆孤中间E、F处安装电磁位置或速度传感器。

　　两环形管在电磁激振器的激励下,以其固有频率振动,振动方向相反。当管内有流体流过时,流体得到Coriolis加速度,环形管就受到一与此加速度方向相反的Coriolis力。由于环形管的两侧所受到的Coriolis力大小相等、方向相反,从而使环形管发生绕中心轴C—C的偏转。最大转角与Coriolis力大小有关,而Coriolis力的大小又与质量流量直接相关。因此,只要通过电磁式位置或速度传感器测得最大偏转角或最大速度,就可以得到质量流量。关于振动管的数学模型和运动规律见文献[4]。

　　环形管结构比较复杂,通常无法用弹性力学的分析方法求得解析解。有限元方法是一个强有力的计算工具,可以用它来计算结构尺寸,刚度系数等参数,并确定其振动模态。刚度系数是整个测量系统的一个关键参数,它对其测量精度和测量灵敏度、激振器与传感器的设计起着十分重要的作用。

　　为了了解环形振动管的结构大小、形状对质量流量计性能的影响,并进行振动管的优化设计,首先必须弄清楚环形管振动模态的固有频率,然后确定刚度系数。影响固有频率的因素很多,如振动管的材料、形状、尺寸、加工工艺以及环境状况等等。本文只讨论结构尺寸的变化对环形管的激振模态的固有频率和Coriolis力模态的固有频率的影响。

　　环形管的关键尺寸有3个:L、L′、H,如图1所示(假设截面形状、尺寸和材料特性已定,不考虑温度变化)。利用ANSYS有限元商业软件,对环形管质量流量计的结构进行了计算和仿真,发现激振模态已不是基本模态,而是4阶模态,Coriolis力模态是5阶模态。

　　为了了解环形管模态随结构形状、尺寸的变化,任意固定L、L′、H中的两个参数,变化其中一个参数。当参数L增大时,环形管各阶模态的固有频率都在减小,如图2所示,其中激振模态的固有频率比Coriolis力模态的固有频率下降得快。在L/H=1.2处,两者的固有频率很接近。当结构参数L、L′、H为某一数值时,激振模态的固有频率和Coriolis力模态的固有频率相等。激振模态的固有频率与Coriolis力模态的固有频率相等这一现象是环形管质量流量计所特有的,它对其性能起着十分重要的作用。