U形质量流量计的计量原理及特性

　　我们常见的质量流量计有以下几种形式：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、Ω形测量管、双环形测量管等。其中，U形测量管质量流量计准确度最高且最稳定可靠，它是由流体流过的本体部分和进行信号转换的变换部分组成。本体部分如图1所示，由两根U型振动管、电磁驱动线圈(驱动器)、左右各一对电磁检测线圈(传感器A、B)、温度传感器以及用于将流体均匀分流的分流器组成。

　　从流量计的入口处流入的流体被分流器均匀地分成各50%的流量，并分别进入两根U形振动管。

　　两根U形振动管由于电磁振荡器(电磁驱动线圈)的作用，以一定的固有频率及一定的振幅在不停地振动。

　　一、工作原理

　　当流体流过振动管时，U形振动管由于科里奥利力的作用而产生扭动，该扭动的角度大小与流过振动管中流体的质量流量成正比。我们就利用这个原理从而测出质量流量。

　　下面我们以一根振动管为例来说明该扭动产生的情况。

　　如图2所示，振动管由于自身的固有弹性系数以及管道中存在的流体质量，决定了其以一个固有的频率进行振动。该振动的方程式如下：

　　y=Asinω·t (1)

　　这里，如图 3 一样，振动管向上振动时，我们来看行程 1，随着流体向U形管的顶部流动，管的振幅也越来越大，流体在垂直方向的速度(V)也就变得越大。这也就意味着流体在垂直方向产生了一个加速度(a)。相反，当流体从U形管的顶部往回流动时，流体在垂直方向的速度(V)也就变得越来越小，随之流体在垂直方向便会产生一个负加速度(- a)。

　　根据牛顿第二定律F=ma，会在管壁的两侧分别产生一个与F大小相同、方向相反的加速度力(F=2ωV)，加速度及力的方向如图 4 所示，这个力叫做科里奥利力。

　　由于科里奥利力是大小相等、方向相反地作用于振动管的左右两边，便会使振动管像图 5 那样发生扭动，振动的整个过程及扭动的产生情况如图 6 所示。图中，当振动管振动到最大位置时，角速度为零，扭角也为零。如图6所示，左右两侧扭角偏差最大的应该是左右两侧振动管的中点，我们在这个位置分别安装上电磁检测线圈(位置检测传感器)，来检测这两个位置的扭角产生的时间差(相位差)。如图 5 所示，科里奥利力F1、F2在振动的瞬间会产生力偶矩M。

　　M=F1·r1+F2·r2(2)

　　科里奥利力F，振动管中流体的质量m，振动管的角速度ω，流体在管内的流速V，存在以下关系：