科氏质量流量计通过检测振动管因科里奥利力产生的扭曲来测量流量,其核心原理基于科里奥利效应与牛顿第二定律的结合,具体过程如下:
1.振动管的激励与初始状态
流量计的传感器采用U型、S型等振动管结构,由电磁驱动线圈驱动其高频振动(频率约80Hz,振幅小于1mm)。
当无流体流经时,振动管仅作主振动(如上下垂直振动),两侧电磁信号检测器记录的振动信号为同相位。
2.流体流动引发的科里奥利力
当流体流入振动管时,被迫参与振动管的运动。根据牛顿第二定律,流体流动时会产生与质量流量成正比的科里奥利力(Fc=2ωVm,其中ω为振动角速度,V为流体速度,m为流体质量)。
振动管扭曲现象:在振动周期内,流体对振动管施加方向相反的附加力。例如,振动管向上振动时,流入流体反抗向上运动,对管壁施加向下力;流出流体反抗向下运动,施加向上力。这种力矩导致振动管产生周期性扭曲(科里奥利现象),且扭曲量与质量流量成正比。
3.相位差检测与流量计算
振动管扭曲导致入口与出口处的振动相位产生差异。两侧电磁信号检测器分别记录振动信号,并计算相位差(
ΔT)。
时间差与流量关系:相位差ΔT与质量流量成正比,通过公式Qm=K⋅ΔT(K为流量标定系数)直接计算质量流量。
数字信号处理优化:采用数字信号处理(DSP)技术过滤噪声,提高相位差检测精度,响应时间比传统模拟信号处理快2-4倍。
4.温度补偿与密度测量
温度变化会影响振动管钢性,进而影响扭曲量。变送器通过铂电阻温度计实时监测温度,并调整流量计算模型以消除温度干扰。
振动管的谐振频率与流体密度相关(ρ∝f2),通过测量谐振频率可同步输出流体密度值。