利用动量变化率测量流体质量流量方法的研究

　　流量测量在工业和科学中有着广泛且重要的用途.流量测量可分为容积流量测量和质量流量测量两大类,现在广泛采用的大多数流量传感器从本质上讲是 容积流量传感器.在精细化工、航天工业等许多场合中,需要及时准确地测量流体的质量流量值, 传统的方法是同时测出容积流量和密度值,质量流量则可由容积流量和密度的乘积算出.由于通常所测得的密度值误差较大,所以采用这种间接方法得到的质量流量 误差也较大.U型管科氏质量流量计因其可以直接测量质量流量,且精度高,所以在小管径的流动测量中得到了很好的应用,而在大、中管径中的应用却因其体积庞 大、价格昂贵则受到了极大的限制[1~3].本研究提出的质量流量测量方法不同于上述方法,系采用激振一短管段内而非整个管系内的流体的工作方式,降低了 驱动功率,并具有结构紧凑、几何尺寸小等优点.在本测量方法中,使用激振器在上游沿垂直方向激振流体,在下游利用检测传感器检测流体动量变化率,从而直接 测量流体质量流量的方案,并将流体质量流量直接转换成电信号输出.实验证明,该测量装置可以获得良好的线性输出.

　　1　理论分析

　　本质量流量测量方法及装置的理论简化模型如图1所示.流体分别流经引流管1、振动管2及检测管3.当流经振动管2时,振动管2带动流体做正弦振动,其振动方程为

　　其中: Ym为系统振幅;ω为正弦激励信号的角频率.由于流体的不可压缩性,流体在y方向上产生一个速度Vy.

　　当流体流入检测管3时,流体y方向上的速度Vy被滞止为零.在控制体内部(图1中虚线所包围的部分),由于在结构方面采取的措施和流体的不可压 缩性,流体在进入控制体内部很短的距离内,y方向上的速度即被滞止为零,所以可以近似地认为在控制体y方向上的动量不随时间变化.在y方向上的流体动量定 理[4]为

　　dmVydt为检测管在y方向作用于控制体内流体的合力,而流体在y方向上作用于检测管的合力Fy与之大小相等,方向相反.综合式(2)、(3)、(4)可得

　　式中:Fy是一个呈正弦变化的量.对式(5)两边积分求时间平均值,经整理可得

　　由上式可以看出,当振动角频率ω和振幅Ym一定时,流体的质量流量与检测管受力时的均值-Fy的大小成正比,只要测出该作用力即可获得相应的流体质量流量.

　　2　流量测量装置的结构设计

　　基于以上原理,我们设计了以下结构的质量流量测量装置,如图2所示.流体分别流经引流管1、振动管2、检测管5.振动管由一个激振器7带动,产 生稳定的正弦振动,振动监测传感器3用于监测振动的稳定性.轻质的检测管5通过两个微力传感器4悬挂于外管6的中央.流体在y方向上的动量被检测管滞止, 其动量变化率由微力传感器4测量并输出.由于作用在检测管上的力很小,微力传感器4采用了特殊的压电晶体传感器,该传感器有良好的线性输出.