图1 科里奥利力的形成 图2 早期科氏力质量流量计
二、 结构 早期设计的科氏力质量流量计的结构如图2所示。将在由流动流体的管道送入一旋转系统中,由安装在转轴上的扭矩传感器,来完成质量流量的测量。这种流量计只是在试验室中进行了试制。 在商品化产品设计中,通过测量系统旋转产生科氏力是不切合实际的,因而均采用使测量管振动的方式替代旋转运动。以此同样实现科氏力对测量管的作用,并使得测量管在科氏力的作用下产生位移。由于测量管的两端是固定的,而作用在测量管上各点的力是不同的,所引起的位移也各不相同,因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量这个扭曲的过程在不同点上的相位差,就可得到流过测量管的流体的质量流量。 我们常见的测量管的形式有以下几种: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,下面我们分别对其结构作一简单介绍。 1. S形测量管质量流量计 如图3所示,这种流量计的测量系统由两根平行的S形测量管、驱动器和传感器组成。管的两端固定,管的中心部位装有驱动器,使管子振动。在测量管对称位置上装有传感器,在这两点上测量振动管之间的相对位移。质量流量与这两点测得的振荡频率的相位差成正比。图3 S形质量流量计结构
这种质量流量计的工作原理及工作过程,如图4所示。图4 无流动时位移传感器的输出
当测量管中流体不流动时,两根测量管在驱动力作用下(作用在每根管子上的力大小相等、方向相反)作对称的等振幅运动。由于管子两端是固定的,在管子中间振幅最大,到两端逐渐减为零。这时在两个传感器上测得的相位如图4B所示,由图中可以看出,两传感器测得的相位差为零。当测量管内流体以速度V流动时,流体中任意值点的流速,可认为是两个分流速的合成:水平方向Vx及垂直方向Vy(与振动方向相同)。在恒定流条件下,流体沿水平方向的流速Vx保持恒定。从图5中可以看出,管子的进、出口处振幅为零,流体质点垂直移动速度Vx为零;图5 振动管受力分析
当流体质点有进口流入图示振动方向的测量管时,流体质点的垂直流动速度为+Vy,同样在流体质点流向出口时,其垂直流动速度为-Vy。由此可以推出,流体质点在通过振动的测量管时,垂直方向的速度是一个从零逐渐加大,直到中间最大,再逐渐减小到零的过程。由力学原理可知,速度的变化是由加速度引起的,而加速度是力作用于其上的结果。根据这个原理,称这个垂直速度变化为科氏加速度Ac,因此作用于流体质量M上的科氏力为Fc=Mac。在测量管上与中心距离相等的两点上,作用的科氏力大小相等,方向相反。 此科氏力作用在测量管上,就产生了如图5所示的结果,即在中间点上产生一对力,引起测量管轻微的扭曲或变形。而实际上在振荡运动时是两根S管同时所受的振荡,其运动方向相反,受力相等,如图6所示。图6 作用在测量管上的科氏力
随着振荡运动的进行,测量管被周期性地分开、靠拢,科氏力也周期性地作用在两根测量管上,通过安装在测量管上的位移创按其A、B,测出由科氏力引起的测量管相对位置的变化,通常转化为测两点的相位差,如图7所示。这个相位差的大小与质量流量成正比。图7 位移传感器的输出
2. U形测量管质量流量计 如图8所示,U形管为单、双测量管两种结构,单测量管型工作原理图8a 单U形管结构
图8b 双U形管结构
如图9所示,电磁驱动系统以固定频率驱动U形测量管振动,当流体被强制接受管子的垂直运动时,在前半个振动周期内,管子向上运动,测量管中流体在驱动点前产生一个向下压的力,阻碍管子的向上运动,二在驱动点后产生向上的力,加速管子向上运动。这两个力的合成,使得测量管发生扭曲;在振动的另外半周期内,扭曲方向则相反。