工作原理和基本结构
众所周知,当一个位于旋转系内的质点做朝向或离开旋转中心的运动时,将产生一个惯性力。如图6-1所示,当质量为δm的质点以匀速u在一个围绕旋转轴P以角速度ω旋转的管道内轴向移动时,这个质点将获得两个加速度分量:
⑴ 法向加速度αr(向心加速度),其值等于ω2r,方向指向P轴。
⑵ 切向加速度αt(科里奥利加速度),其值等于2ωu,方向与αr垂直,正方向符合右手定则,如图6-1所示。
为了使质点具有科里奥利加速度αt,需在αt的方向上加一二大小等于2ωuδm的力,这个力来自管道壁面。反作用于管道壁面的力就是流体施加在管道上的科里奥利力Fc。
Fc=2ωuδm (6-1)
方向与αt相反。
从图6-1可以看出,当密度为ρ的流体以恒定速度u沿图6-1所示的选择管道流动时,任意长度Δx的管道都将受到一个大小为ΔFc的切向科里奥利力:
ΔFc=2ωuAΔX (6-2)
式中,A为管道内截面积。由于质量流量qm=ρuA,因此:
ΔFc=2ωqmΔX (6-3)
基于上式,只要能直接或间接地测量出在旋转管道中流动的流体作用于管道上的科里奥利力,就可以测得流体通过管道的质量流量。
在过程工业应用中,要使流体通过的管道围绕P轴以角速度ω旋转显然是不切合实际的。这也是早期的质量流量始终未能走出实验室的根本原因。经过几十年的探索,人民终于发现,使管道绕P轴以一定频率上下振动,也能使管道受到科里奥利力的作用。而且,当充满流体的管道以等于或接近于自振频率时,维持管道振动的驱动力是很小的。从而根本上上解决了CMF的结构问题。为CMF的迅速商用化打下了基础。
经过近二十年的发展,以科里奥利力为原理而设计的质量流量计已有多种形式。根据检测管道形状来分,大体上可以归纳为四类,即:直管型和弯管型;单管型和多管型(一般为双管型)。
弯管型检测管的仪表管道刚度低,自振频率也低,可以采用较厚的管壁,仪表耐磨、耐腐蚀性能较好,但易积存气体和残渣引起附件误差。直管型仪表不易存积气体,流量传感器尺寸小,重量轻。但自振频率高,为使自振频率不至于太高,往往管壁做得较薄,易受外界振动的干扰,仅见于早起的产品和一些小口径仪表。双管型仪表由于事先了两管相位差的测量,可降低外界振动干扰的影响。
通常检测管形状总是上述几种类型的结合,目前常用的和已开发的有:双U型、双S型、双Ω型、双环型、单直管型、双直管型、单管多环型(一般为双环)、单管双Q型、双B型等。