工作原理和基本結構
眾所周知,當一個位于旋轉系內的質點做朝向或離開旋轉中心的運動時,將產生一個慣性力。如圖6-1所示,當質量為δm的質點以勻速u在一個圍繞旋轉軸P以角速度ω旋轉的管道內軸向移動時,這個質點將獲得兩個加速度分量:
⑴ 法向加速度αr(向心加速度),其值等于ω2r,方向指向P軸。
⑵ 切向加速度αt(科里奧利加速度),其值等于2ωu,方向與αr垂直,正方向符合右手定則,如圖6-1所示。
為了使質點具有科里奧利加速度αt,需在αt的方向上加一二大小等于2ωuδm的力,這個力來自管道壁面。反作用于管道壁面的力就是流體施加在管道上的科里奧利力Fc。
Fc=2ωuδm (6-1)
方向與αt相反。
從圖6-1可以看出,當密度為ρ的流體以恒定速度u沿圖6-1所示的選擇管道流動時,任意長度Δx的管道都將受到一個大小為ΔFc的切向科里奧利力:
ΔFc=2ωuAΔX (6-2)
式中,A為管道內截面積。由于質量流量qm=ρuA,因此:
ΔFc=2ωqmΔX (6-3)
基于上式,只要能直接或間接地測量出在旋轉管道中流動的流體作用于管道上的科里奧利力,就可以測得流體通過管道的質量流量。
在過程工業應用中,要使流體通過的管道圍繞P軸以角速度ω旋轉顯然是不切合實際的。這也是早期的質量流量始終未能走出實驗室的根本原因。經過幾十年的探索,人民終于發現,使管道繞P軸以一定頻率上下振動,也能使管道受到科里奧利力的作用。而且,當充滿流體的管道以等于或接近于自振頻率時,維持管道振動的驅動力是很小的。從而根本上上解決了CMF的結構問題。為CMF的迅速商用化打下了基礎。
經過近二十年的發展,以科里奧利力為原理而設計的質量流量計已有多種形式。根據檢測管道形狀來分,大體上可以歸納為四類,即:直管型和彎管型;單管型和多管型(一般為雙管型)。
彎管型檢測管的儀表管道剛度低,自振頻率也低,可以采用較厚的管壁,儀表耐磨、耐腐蝕性能較好,但易積存氣體和殘渣引起附件誤差。直管型儀表不易存積氣體,流量傳感器尺寸小,重量輕。但自振頻率高,為使自振頻率不至于太高,往往管壁做得較薄,易受外界振動的干擾,僅見于早起的產品和一些小口徑儀表。雙管型儀表由于事先了兩管相位差的測量,可降低外界振動干擾的影響。
通常檢測管形狀總是上述幾種類型的結合,目前常用的和已開發的有:雙U型、雙S型、雙Ω型、雙環型、單直管型、雙直管型、單管多環型(一般為雙環)、單管雙Q型、雙B型等。