科氏力質量流量計的工作原理和典型結構特性

一、 工作原理

如圖一所示，截取一根支管，流體在其內以速度V從A流向B，將此管置於以角速度ω旋轉的系統中。設旋轉軸為X，與管的交點為O，由於管內流體質點在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運動，此時流體質點受到一個切向科氏力Fc。這個力作用在測量管上，在O點兩邊方向相反，大小相同，為：

δFc ＝ 2ωVδm

因此，直接或間接測量在旋轉管道中流動的流體所產生的科氏力就可以測得質量流量。這就是科裡奧利質量流量計的基本原理。

圖1 科裡奧利力的形成 圖2 早期科氏力質量流量計

二、 結構

早期設計的科氏力質量流量計的結構如圖2所示。將在由流動流體的管道送入一旋轉系統中，由安裝在轉軸上的扭矩傳感器，來完成質量流量的測量。這種流量計只是在試驗室中進行了試製。

在商品化產品設計中，通過測量系統旋轉產生科氏力是不切合實際的，因而均採用使測量管振動的方式替代旋轉運動。以此同樣實現科氏力對測量管的作用，並使得測量管在科氏力的作用下產生位移。由於測量管的兩端是固定的，而作用在測量管上各點的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在測量管上形成一個附加的扭曲。測量這個扭曲的過程在不同點上的相位差，就可得到流過測量管的流體的質量流量。

我們常見的測量管的形式有以下幾種：S形測量管、U形測量管、雙J形測量管、B形測量管、單直管形測量管、雙直管形測量管、Ω形測量管、雙環形測量管等，下面我們分別對其結構作一簡單介紹。

1． S形測量管質量流量計

如圖3所示，這種流量計的測量系統由兩根平行的S形測量管、驅動器和傳感器組成。管的兩端固定，管的中心部位裝有驅動器，使管子振動。在測量管對稱位置上裝有傳感器，在這兩點上測量振動管之間的相對位移。質量流量與這兩點測得的振蕩頻率的相位差成正比。

圖3 S形質量流量計結構

這種質量流量計的工作原理及工作過程，如圖4所示。

圖4 無流動時位移傳感器的輸出

當測量管中流體不流動時，兩根測量管在驅動力作用下（作用在每根管子上的力大小相等、方向相反）作對稱的等振幅運動。由於管子兩端是固定的，在管子中間振幅最大，到兩端逐漸減為零。這時在兩個傳感器上測得的相位如圖4B所示，由圖中可以看出，兩傳感器測得的相位差為零。當測量管內流體以速度V流動時，流體中任意值點的流速，可認為是兩個分流速的合成：水平方向Vx及垂直方向Vy（與振動方向相同）。在恆定流條件下，流體沿水平方向的流速Vx保持恆定。從圖5中可以看出，管子的進、出口處振幅為零，流體質點垂直移動速度Vx為零；

圖5 振動管受力分析

當流體質點有進口流入圖示振動方向的測量管時，流體質點的垂直流動速度為+Vy，同樣在流體質點流向出口時，其垂直流動速度為-Vy。由此可以推出，流體質點在通過振動的測量管時，垂直方向的速度是一個從零逐漸加大，直到中間最大，再逐漸減小到零的過程。由力學原理可知，速度的變化是由加速度引起的，而加速度是力作用於其上的結果。根據這個原理，稱這個垂直速度變化為科氏加速度Ac，因此作用於流體質量M上的科氏力為Fc＝Mac。在測量管上與中心距離相等的兩點上，作用的科氏力大小相等，方向相反。

此科氏力作用在測量管上，就產生了如圖5所示的結果，即在中間點上產生一對力，引起測量管輕微的扭曲或變形。而實際上在振蕩運動時是兩根S管同時所受的振蕩，其運動方向相反，受力相等，如圖6所示。

圖6 作用在測量管上的科氏力

隨著振蕩運動的進行，測量管被周期性地分開、靠攏，科氏力也周期性地作用在兩根測量管上，通過安裝在測量管上的位移創按其A、B，測出由科氏力引起的測量管相對位置的變化，通常轉化為測兩點的相位差，如圖7所示。這個相位差的大小與質量流量成正比。

圖7 位移傳感器的輸出

2． U形測量管質量流量計

如圖8所示，U形管為單、雙測量管兩種結構，單測量管型工作原理

圖8a 單U形管結構

圖8b 雙U形管結構

如圖9所示，電磁驅動系統以固定頻率驅動U形測量管振動，當流體被強制接受管子的垂直運動時，在前半個振動周期內，管子向上運動，測量管中流體在驅動點前產生一個向下壓的力，阻礙管子的向上運動，二在驅動點後產生向上的力，加速管子向上運動。這兩個力的合成，使得測量管發生扭曲；在振動的另外半周期內，扭曲方向則相反。

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