引言
質(zhì)量流量計(jì)現(xiàn)在受到用戶的青睞，是由于它能直接測(cè)量管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量，而不必像過(guò)去那樣，分別測(cè)量被測(cè)流體的體積流量和密度，然后計(jì)算求得。此外，它的精度和穩(wěn)定度較高，量程比也比較大，但是其性能價(jià)格比太高。對(duì)制造廠商而言，這是個(gè)利潤(rùn)頗豐的產(chǎn)品，所以對(duì)此產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、試制和推銷，一直是積極的。
原理
柯氏質(zhì)量流量計(jì)的原理，實(shí)質(zhì)是利用一個(gè)彈性體的共振特性：隊(duì)友流體流動(dòng)和無(wú)流體流動(dòng)的振動(dòng)（在共振區(qū)附近）的金屬管元件，測(cè)定其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，求出此諧振系統(tǒng)的相位差（時(shí)間差）與質(zhì)量流量之間的關(guān)系。而有流體流動(dòng)的金屬管元件諧振的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，與無(wú)流體流動(dòng)的金屬管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性之間的差別，是由于Coriolis效應(yīng)引起的。所謂柯氏效應(yīng)，是指當(dāng)質(zhì)點(diǎn)在一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)參考系內(nèi)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種不同于通常離心力的慣性力作用在此質(zhì)點(diǎn)上。其大小與方向可用2mvXw(公式)來(lái)表示。這是法國(guó)科學(xué)家Coriolis首先發(fā)現(xiàn)的。利用上述原理的彈性元件構(gòu)成的流量計(jì)又稱為柯氏質(zhì)量流量計(jì)。所以要在理論上分析、發(fā)展質(zhì)量流量計(jì)，其難點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是來(lái)計(jì)算彈性金屬管的動(dòng)態(tài)諧振特性。這主要是靠固體力學(xué)理論對(duì)彈性體作振動(dòng)分析來(lái)確定。現(xiàn)有的文獻(xiàn)報(bào)道，一種是對(duì)撓性管進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。
1． 撓性管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析
（i） 撓性曲管的分析
Hemp and Sultan (Cranfield Institute of Technology, England) 用Euler梁理論，對(duì)撓性曲管的諧振的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行過(guò)分析，并結(jié)合U-型管作了具體計(jì)算。
a. 方程（Oscillating tube of cruved part）
對(duì)于不同的幾何形狀，上述的一般性公式和邊界條件還可以在進(jìn)一步簡(jiǎn)化。譬如，對(duì)彈性金屬管的直管部分，可以令a趨于無(wú)窮即可。
b. 邊界條件
在端點(diǎn)上，有在不同形狀的管段的連接點(diǎn)上，有
c. 數(shù)值求解和計(jì)算結(jié)果
作者計(jì)算出了U-型元件的基頻和其諧振的振動(dòng)模態(tài)（位移模態(tài)和彎曲模態(tài)），以及其相位和流量之間的關(guān)系式，理論計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合得很好。
（ii） 撓性直管的分析
Raszillier and Durst(University of Erlangen,Germany)用Euler梁理論，考慮流體是運(yùn)動(dòng)弦，對(duì)一維撓性直管的諧振的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了分析
a. 方程(Oscillating tube of staight part )
b. 邊界條件
c. 數(shù)值求解和計(jì)算結(jié)果
作者用了頗為復(fù)雜的求解過(guò)程，計(jì)算出了有流體流動(dòng)和無(wú)流體流動(dòng)的直管的基頻和其諧振的位移振動(dòng)模式，并由此計(jì)算出相位差和流量之間的關(guān)系。
2． 剛性直管的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析
Cascetla假定直觀是剛性的，可以避免計(jì)算上述彈性管的基頻和其諧振的位移振動(dòng)模態(tài)，從而可進(jìn)一步簡(jiǎn)化計(jì)算，最后也可得到根簡(jiǎn)單的結(jié)果：振動(dòng)位移和流量之間的關(guān)系。
實(shí)用設(shè)計(jì)問(wèn)題
上述諧振的動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析，雖很細(xì)致但是學(xué)院式的。工程師最關(guān)心的是指導(dǎo)彈性管的共振頻率及氣管壁的應(yīng)力分布和抵抗疲勞的強(qiáng)度是否足夠。最簡(jiǎn)單的辦法是用結(jié)構(gòu)分析軟件包SAP,或ANSYS進(jìn)行分析計(jì)算。
彈性元件的選擇
從力學(xué)角度來(lái)看，對(duì)質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)行設(shè)計(jì)，首先要選擇合適的一次感受元件，以便盡可能提高一次元件的Coriolis效應(yīng)。這包括感受元件最佳形狀的選擇，以及彈性金屬管的最佳材料和壁厚的選擇。元件的形狀，大體上可以歸納為四類，即：彎管形和直管形；單管形和多管形（雙管形）。在選形時(shí)，其原則主要是要平衡所選的一次元件的性能，最佳使用范圍和成本這三個(gè)因素。一般地講，所選的形狀愈復(fù)雜，其Coriolis效應(yīng)就愈高，但生產(chǎn)工藝和技術(shù)就愈復(fù)雜，因而其成本就愈高。通常一次元件總是歸屬于上述的四類中的兩類形式的結(jié)合：如彎管形和雙管形的結(jié)合。
目前，以Coriolis力為原理而設(shè)計(jì)的質(zhì)量流量計(jì)，其一次元件有各式各樣的幾何形狀，如：
雙U型或三角型
雙S型
雙w型
雙K型
雙螺旋型
單管多環(huán)型
單J型
單直管型
雙直管型
當(dāng)前急需解決的某些力學(xué)問(wèn)題
1．從理論上講，柯氏質(zhì)量流量計(jì)的精度是不受被測(cè)流體的工況條件影響的，但實(shí)際情況的確是受流體的各種工況條件影響的（雖然這種影響較小），原因還一時(shí)查不清楚。作者估計(jì)，是由一次元件的管道內(nèi)的二次渦流引起的附加柯氏效應(yīng)造成的。
因?yàn)楸眰?cè)的流體總是由粘性的，所以管道內(nèi)截面上的速度剖面是近似拋物型（大粘性情況）和冪次型（小粘性情況），而不是均勻速度剖面。在管道壁上的流速為零，而中心線上的流速最大，這樣一來(lái)，在截面不同半徑位置上的柯氏加速度就不一樣。于是，非均勻的柯氏效應(yīng)就會(huì)產(chǎn)生二次渦流，其方向與振動(dòng)管旋轉(zhuǎn)向量的方向是相互垂直的。對(duì)不同工況條件下的流體，流量計(jì)的感受管內(nèi)的流態(tài)是不盡相似的，由此而產(chǎn)生附加柯氏效應(yīng)，其大小也不同。這樣就使流量計(jì)的精度發(fā)生變化，以至超出廠家給出的范圍值。
2.質(zhì)量流量計(jì)原則上可以測(cè)量?jī)上嗔黧w，但實(shí)際上測(cè)量誤差也較大，使工業(yè)界無(wú)法接受在此領(lǐng)域的應(yīng)用，目前也正在進(jìn)一步研究這一問(wèn)題。作者估計(jì)造成上述問(wèn)題的原因，同上。
3． 另外，由于一次元件時(shí)振動(dòng)型的，所以它受外界的振動(dòng)的干擾影響較大，這個(gè)問(wèn)題已引起廠家的重視，正在進(jìn)行研究。作者認(rèn)為這個(gè)問(wèn)題應(yīng)從設(shè)計(jì)的抗振動(dòng)的元件以及電路著手，但首先應(yīng)分析清楚頻移和鎖頻等現(xiàn)象，然后才能找到合適的抗振措施。
材料問(wèn)題
由于一次傳感器時(shí)振動(dòng)金屬管，所以要考慮管材能在各種環(huán)境下經(jīng)受疲勞的沖擊以及承受腐蝕的能力。大家知道，增加的抗疲勞損傷的能力，一是減少金屬管的振動(dòng)幅值，二是增加振動(dòng)管的壁厚，三是選擇恰當(dāng)?shù)慕饘俨牧稀Ｄ壳岸鄶?shù)用316L不銹鋼材，更理想的金屬材料是哈氏合金（Hastelloy alloy），即NiCrMo合金，它的抗疲勞損傷的能力比316L要強(qiáng)一些，尤其是實(shí)用氯化物腐蝕的情況。？鈦合金最佳，但后者價(jià)錢太貴。
應(yīng)用
Coriolis質(zhì)量流量計(jì)特別適合應(yīng)用于大粘度的非牛頓流體的流量測(cè)量，即特別合適測(cè)量粘稠甚至難于流動(dòng)的介質(zhì)如：
各種事物漿 乳膠混合漿
油漆涂料 維生素漿
紙漿 重油
高分子聚合物的漿液等。。。。
所以，西方已把Coriolis質(zhì)量流量計(jì)推廣應(yīng)用到各個(gè)不同工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)：如化學(xué)和制藥業(yè)，食品飲料業(yè)，制冷，能源業(yè)，石油化工業(yè)等。在上述工業(yè)中，多數(shù)用在配料混合的加工過(guò)程的控制。此外，也用在車載和穿在裝卸的脊梁上。
精度問(wèn)題
目前西方制造廠家都宣稱Coriolis質(zhì)量流量計(jì)的精度可達(dá)到0.5%，甚至為0.2%或0.1%。但實(shí)際使用時(shí)要特別小心，在低流量范圍上的精度一般是達(dá)不到上述精度值。此外，二次儀表的零點(diǎn)漂移，特別在使用一段時(shí)間后，達(dá)不到廠家給出的值。
遠(yuǎn)景
估計(jì),目前全世界大約已有十五萬(wàn)臺(tái)質(zhì)量流量計(jì)在各種土同工業(yè)部門運(yùn)轉(zhuǎn).現(xiàn)在質(zhì)量流量計(jì)約占西方每年生產(chǎn)和銷售的各種流量計(jì)的總臺(tái)數(shù)3%-5%左右,但由于質(zhì)量流量計(jì)含有的高技術(shù)附加值很大,其利潤(rùn)可以高達(dá)70%以上,所以西方公司從中獲利頗豐。
從目前全世界的流量計(jì)量的發(fā)展來(lái)看，毫無(wú)疑問(wèn)，Coriolis質(zhì)量流量計(jì)看來(lái)會(huì)很快占領(lǐng)原來(lái)以容量計(jì)量為主的計(jì)量領(lǐng)域的一塊較大的市場(chǎng)。這是一個(gè)利潤(rùn)頗豐的產(chǎn)品，隨著市場(chǎng)的劇烈競(jìng)爭(zhēng)，其價(jià)格/性能比，也會(huì)適當(dāng)降低一些。但是也只有其價(jià)格/性能比大大降低后，才能真正在工業(yè)界得到廣泛的應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用問(wèn)題
作者認(rèn)為，近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)Coriolis質(zhì)量流量計(jì)的期望過(guò)高，認(rèn)為它可以用到任何地方上。這是誤解。大家知道，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)各種參數(shù)的測(cè)量，如溫度，壓力等，以流量測(cè)量最復(fù)雜，業(yè)較難測(cè)得很準(zhǔn)確。但是流量的測(cè)量方法和原理也最多，各式各樣，五花八門。迄今，各種流量?jī)x表不下幾十種，甚至上百種。目前，無(wú)論哪一種流量?jī)x表也無(wú)法把另一種儀表擠出市場(chǎng)，而獨(dú)霸天下，而是各有各的適用領(lǐng)域。在流量?jī)x表選型時(shí)，在能滿足用途的條件下，凡是能選用簡(jiǎn)單、可靠的，就不選用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的。此外，在平衡選擇的儀表的一次性投資和常年維持費(fèi)用的條件下，選用投資最佳的情況。就采用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)而言，凡是能用其它型式的流量?jī)x表進(jìn)行測(cè)量，就選用其它儀表，而不用Coriolis質(zhì)量流量計(jì)，因?yàn)橐话闱闆r下，前者總比后者便宜。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)問(wèn)題
在我國(guó)國(guó)內(nèi)生產(chǎn)柯氏質(zhì)量流量計(jì)，由于我國(guó)即將成為GATT的成員國(guó)，首先要注意知識(shí)產(chǎn)權(quán)問(wèn)題，以避免引起法律糾紛。目前質(zhì)量流量計(jì)的彈性元件之所以有各式各樣的形狀，主要是前一種幾何形狀出現(xiàn)后，后來(lái)發(fā)展的一次元件的形狀，必須避開(kāi)已申請(qǐng)專利的這一形狀。在二次儀表的電路設(shè)計(jì)思想上，也要注意其中某些關(guān)鍵部分，有關(guān)生產(chǎn)廠家是否已申請(qǐng)專利備案，在二次儀表的外形設(shè)計(jì)和電路布置上也一定要趕在我國(guó)加入GATT前，盡快擺脫照抄或仿制階段，否則會(huì)引起知識(shí)產(chǎn)權(quán)的法律糾紛。此外，產(chǎn)品只有在形成一定的批量后，才能降低成本，具有競(jìng)爭(zhēng)力，所以在我國(guó)國(guó)內(nèi)獨(dú)立生產(chǎn)柯氏質(zhì)量流量計(jì)問(wèn)題，是任重而道遠(yuǎn)的。
參考文獻(xiàn)
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