科里奥利质量流量计原理及其应用

　　0　引　言

　　流量是工业生产过程中一个非常重要的参数。目前应用的流量仪表有很多种类,如节流式流量计、浮子流量计、椭圆齿轮流量计、电磁流量计、涡轮流量计、涡街流量计、超声流量计等,它们都属于体积流量计。而在实际应用中,由于经济核算、储存以及物料平衡、热平衡等原因,人们更关心的是测量流体流过的质量是多少。虽然可以用体积流量计和密度计组成间接式质量流量计,但其构成复杂,测量误差大,并受温度、压力、密度的影响。科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flowmeter)简称科氏力流量计,是利用流体在振动管中流动时,将产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理测量的。由于它实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量,具有抗磨损、抗腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点,现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。

　　1　科里奥利质量流量计的工作原理

　　当一根管子绕原点旋转时,让一个质点从原点通过管子向外端流动,即质点的线速度由零逐渐增大,质点被赋予了能量,随之产生的反作用力Fc(即惯性力)将使管子的旋转速度减缓,使管子运动发生滞后。相反,让一个质点从外端通过管子向原点流动,即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零,质点的能量被释放出来,随之产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度加快,使管子运动发生超前。如图1a所示。这种能使旋转的管子运动发生超前或滞后的力就称为科里奥利力,简称科氏力。这是19世纪法国科学家科里奥利提出的。

　　将绕着同一根轴线以相同相位旋转的两根相同管子的外端用同样的管子连接起来,如图1b所示。当管子内没有流体流过时,连接管与轴线是平行的。而当管子内有流体流过时,由于科氏力的作用,两根

　　旋转管发生相位差(质点流出侧相位领先于流入侧),连接管就不再与轴线平行。科氏流量计就是利用这一原理制成的。科氏流量计通常是以振动代替旋转运动,因为旋转运动不适于实际应用。即由两端固定的薄壁测量管,在中心处加以测量管谐振或接近谐振的激励。这样,如果把测量段看作是从中心分开的两段,那么这两段就相当于分别围绕两端固定点做来回旋转运动。当流体从一端流向另一端时,就产生了科里奥利力,使测量管中点前后两半段产生方向相反的扭曲,进而产生相位差。测出扭曲量-扭角的大小,或测出两段管通过中心平面的时间差Δt,就可以得知质量流量。通常以电磁或光学原理测量。科氏流量计的振动管(测量管)的形状有多种,但总的说来可分为弯管与直管两种,其中又有单管与双管之分。