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科里奧利流量傳感器原理

作者:發布日期:2014-12-15 11:12:52來源:上海瓷熙瀏覽:73
科里奧利質量流量計流量傳感器原理
以U形測量管為例,如圖5.2所示,在外力的驅動下,U形測量管繞O-O軸按其自然頻率ω振動。當流體以勻速流過U形管時,根據質點動力學原理,在U形管向上運動時,入口一側產生向上的科氏加速度,相應的科氏力F 1 向下作用在管壁上;出口一側產生向下的科氏加速度,相應的科氏力F 2 向上作用在管壁上。F l 與F 2 大小相等,方向相反(F 1 =F 2 =F c )。
F c =2mω × v (5.2)
流量傳感器原理展示圖
此處, F c 、ω和v是矢量, "×"是矢量相乘。當U形管沿0-0軸轉動時,科氏力繞R-R軸產生力矩M,轉動力臂為r,于是
M=F 1 r l +F 2 r 2 (5.3)
因F 1 =F 2 , r 1 =r 2, 由式(5.2)和式(5.3)得
M=2F c r=4mvωr (5. 4)
質量流量q m 取決于每單位時間內通過給定點的質量m。 q m =m/t, v=L/t,經代換得 q m =mv/L,此處L是管子的長度,于是式(5.4)變成
M=4ωrqL (5.5)
力矩M引起U形管扭曲,扭曲角θ為測量管繞軸R-R的夾角。由于M引起的扭曲受測量管的彈性剛度K s 的制約,扭矩
T=K s θ (5.6)
因T=M,質量流量q m 同偏轉角θ之間的關系可通過整理式(5.5)、式(5. 6)得
 (5. 7)
即 q m =k 1 θ (5.8)
式中, K 1 =K s /4ωrL=常數。
扭轉角θ是時間t的函數,U形管每根支管通過中心點,由兩側的兩個位置檢測器測取。當沒有流量時,右面和左面的支管在向上和向下越過中心線的時差為零;而流量增大時,θ角增大,上升和下降開關信號之間的時間差Δt也增大。設管子通過中心線的速度為v t ,則
測量公式
測量原理
U型管振動扭曲圖

當θ角很小時,它近似等于sineθ,即θ= sine,且此時有  T為周期,所以v t ,=ωL,于是式(5. 9)變為

科里奧利質量測量公式一
式中, K 2 =ωL/2r=常數。綜合式(5.7)、式(5.10)在
科里奧利質量流量計測量公式二

對特定的流量傳感器來說,  =常數?梢,質量流量僅與時間間隔 Δt和幾何常數有關,與U形管驅動轉速ω無關,亦即與測量管的振動頻率無關。U形測量管受力變形和振動扭曲如圖5.3、圖5.4所示。
總之,單位時間流經測量管的流體質量越多,則測量管扭轉角θ越大(q m =K 1 θ),而θ角越大,則左右兩管通過中心點的時差Δt亦越大(θ=K 2 Δt),從而流量q m 與時差Δt成正比(q m =K3Δt)。這樣,通過傳感器的設計,把對科里奧利力的測量轉變成對振動管兩側時差的測量,這就是流量傳感器的工作原理。

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