科氏質量流量計通過檢測振動管因科里奧利力產生的扭曲來測量流量,其核心原理基于科里奧利效應與牛頓第二定律的結合,具體過程如下:
1.振動管的激勵與初始狀態
流量計的傳感器采用U型、S型等振動管結構,由電磁驅動線圈驅動其高頻振動(頻率約80Hz,振幅小于1mm)。
當無流體流經時,振動管僅作主振動(如上下垂直振動),兩側電磁信號檢測器記錄的振動信號為同相位。
2.流體流動引發的科里奧利力
當流體流入振動管時,被迫參與振動管的運動。根據牛頓第二定律,流體流動時會產生與質量流量成正比的科里奧利力(Fc=2ωVm,其中ω為振動角速度,V為流體速度,m為流體質量)。
振動管扭曲現象:在振動周期內,流體對振動管施加方向相反的附加力。例如,振動管向上振動時,流入流體反抗向上運動,對管壁施加向下力;流出流體反抗向下運動,施加向上力。這種力矩導致振動管產生周期性扭曲(科里奧利現象),且扭曲量與質量流量成正比。
3.相位差檢測與流量計算
振動管扭曲導致入口與出口處的振動相位產生差異。兩側電磁信號檢測器分別記錄振動信號,并計算相位差(
ΔT)。
時間差與流量關系:相位差ΔT與質量流量成正比,通過公式Qm=K⋅ΔT(K為流量標定系數)直接計算質量流量。
數字信號處理優化:采用數字信號處理(DSP)技術過濾噪聲,提高相位差檢測精度,響應時間比傳統模擬信號處理快2-4倍。
4.溫度補償與密度測量
溫度變化會影響振動管鋼性,進而影響扭曲量。變送器通過鉑電阻溫度計實時監測溫度,并調整流量計算模型以消除溫度干擾。
振動管的諧振頻率與流體密度相關(ρ∝f2),通過測量諧振頻率可同步輸出流體密度值。