基于科里奥利力测量的流量传感器优化.doc
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1、基于科里奥利力测量的流量传感器优化我们生活中使用的汽油、饮用水,或是饮用果汁,这些常见的液体其实都是经过了层层提取、处理和质量评估后才进入了我们的日常生活。消费者赖以生存的种种液体背后都伴随着许多深思熟虑和不为人知的先进技术,而这些技术都离不开精确的测量和监控。在加工药品时,我们如何判断流体是否符合高质量要求?加工原油时,如何确定原油提取量?在水的输送过程中,又如何确定流量和体积分布?这些问题与水、制药、食品和石油天然气公司的利益息息相关。制造商为了能够自信地回答这些问题,提出了有效的解决方法:使用安装在管道或其他设备内部的流量计。在瑞士恩德斯豪斯(Endress+Hauser)公司,工程师们
2、正在努力地推进各类流量传感器的开发和维护工作,不断提高传感器的精度,并针对不同物质使用不同的测量方法。基于科里奥利力的测量为了确定管道内流体的特性,E+H 公司设计了一款由一根或多根振动测量管组成的传感器,通过测量管道内部装置中的科里奥利力,实现流量的精确测量。在流体流入装置之前,测量管已经处于激活状态。当装置充满静止的液体后,测量管开始匀速振动。当液体流经振动管时,会对管壁施加作用力,测量管的振动可以看作是流体粒子绕轴进行旋转。由于流体粒子在运动参考坐标系中流动,因此会受到一个垂直于其运动方向和旋转轴的惯性力,即科里奥利力。与此同时,由于振动管的入口段和出口段的流体会产生反相的旋转运动,由此
3、产生的力会以不对称的方式使管发生偏移,导致沿管的振动会产生相位差或时间差。管道运动的扭曲分量引起测量管的各个管段以一定的时间差或相位差开始振动。相位差和新的管振动频率分别为管内质量流率和流体密度的函数。因此通过解释流量计输出的信号,就能测得质量流量或体积流量,从而保证输送的流体量符合预期。除此之外,流体粘度增大会导致振动阻尼增加,通过振动频率就可以直接测得流体密度。举例来说,与水这样的高密度、低粘度流体相比,油类等低密度、高粘度物质的振动更快,但阻尼更大。由此可见,通过测量振动频率和阻尼,就能确定流体的密度和粘度,从而对流体流动过程的质量进行监测控制。这些物理效应也同样适用于悬臂等在流体中振动
4、的物体。粘性声学分析案例恩德斯豪斯(Endress+Hauser)集团是全球领先的流量计(图 1)制造商, Vivek Kumar 是其瑞士总部的资深数值仿真专业人员,致力于提高传感器的性能。他的建模工作帮助整个团队加深了对流量计中的声学、力学和流体流动等各种物理效应的理解。在深入了解流-固耦合及振动声学对传感器性能的影响后,团队通过调整各种设计参数,确定了最佳设计方案,使流量计的性能和质量得到大幅提升。图 1. E+H 公司设计的科里奥利流量计。团队从粘性声学模型着手进行数值分析,目的是了解粘性流体通过振动管时产生的粘滞阻尼。他们在频域内模拟了流-固耦合,研究结构变形和声波传播的耦合特性,以
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