科里奥利质量流量计的原理及其误差分析

　　0　引言

　　流量是工业过程控制中非常重要的物理量。目前有很多种类的仪表用于流量的测量,诸如椭圆齿轮流量计、压差式流量计、流体阻力式流量计、电磁流量计、涡轮流量计、超声流量计等,这些都属于体积流量计类型。然而在工业生产领域,由于物料平衡、热平衡以及储存、经济核算等原因,使用体积流量会产生明显的误差,因此常常需要以质量来衡量流量。例如在石油进出口贸易中,每0.25m³的原油在20℃时为200kg,在50℃时则只有195.5kg,会导致2.3%的误差,这在大宗交易中会给卖方带来巨大的经济损失。虽然质量也可以通过体积流量与流体密度换算而成,但更便捷的方法是使用质量流量计直接进行测量。因此质量流量计的作用也就变得越来越重要。科里奥利质量流量计是一种直接获取与质量流量有关的信号、不受被测介质影响的质量流量计,可以测量种类较多的液体和稀浆,而不受管内流态的影响,测量范围大、精度高,具有可跟踪脉冲流、可获取密度信号等优点。本文根据作者使用的经验和收集的资料,对最新型的科里奥利质量流量计的基本原理及其误差分析作一概括的论述。

　　1　基本工作原理

　　科里奥利质量流量计是利用流体在振动管中流动时,产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理而制成的。

　　1.1　科里奥利力

　　当质量为m的质点以速度 v在管道中流动时,该管道又绕P轴作角速度为 ω的旋转运动,则该质点除受到离心力作用外,还会受到一个称为科里奥利力 Fc(切向力)的作用,如图1所示。科里奥利力的方向与速度 v垂直,同时与角速度 ω垂直,其大小与流速、转速以及质点的质量成正比,表示为

　　因此,通过直接或间接地测量该力,便可以得到瞬时质量的大小。

　　1.2　科里奥利质量流量计的结构原理

　　实际工程应用中,要想通过旋转运动来产生科里奥利力是很困难的,最初的结构是采用U形弯曲测试管来产生这种旋转运动。经过近十几年来的不断探索更新,其结构经历了由单根U形管到双根U形管,再到双根直管,直至目前演化为采用单根直管并加以激振的方法来模仿旋转运动。这种单根直管并加以激振的结构目前是科里奥利质量流量计的最新形式。

　　图2所示为其原理示意图。其中激振点设在振动测量管中点,激振频率为f,检测传感器设在测量管两端对称的位置上。这样,在单根管全长L方向上的振形如图3所示。以施加激励力处为参考点,在管道流入侧(参考点左侧)被测点上的科里奥利力引起的振动为

　　Y₁= Y·sinωt