質量流量計的工作原理和典型結構
科氏力式質量流量計一般由傳感器和信號處理系成，而流量傳感器又是一種基于科里奧利力效應的諧振式傳感器。這種傳感器的敏感元件——振動管，是處于諧振狀態的空心金屬管，又稱測量管。科氏力式質量流量傳感器的測量管有各種不同的結構形式，按照傳感器測量管的數量可將其分為單管型、雙管型和連續管型三種結構。單管型結構簡單，不存在分流問題，管路清洗方便。一般地說，它對外來振動比較敏感。雙管型結構容易實現相位差的測量，可以較好地克服外來振動的影響，并對提高振動系統的Q值有利。目前大多數產品均采用這種結構。但這種結構同時帶來的問題是兩測量管中流過的流量不可能做到絕對相等，其中的沉積物和磨蝕也不可能絕對一致，從而引起附加誤差。而且在兩相流工作狀態下，難以作到兩測量管中流體分布的均勻一致，以致影響振動系統的穩定性。隨著單管型結構中測量管系統的振動不平衡問題的解決，單管型結構仍具有一定的發展前景。連續管型是一種特殊形式的單管．它以環繞兩圈的單管結構試圖集單、雙管型的優點于-身。根據測量管的形狀，又可分為直管型和彎管型兩大類。直管型一般外形尺寸小且不易于積存氣體，但由于其振動系統剛度大，諧振頻率高，相位差為微秒級，電信號的處理就比較困難。為了不使諧振頻率過高，管壁必須較薄，以致其耐磨及抗腐蝕性能較差。彎管型的振動系統剛度較低，諧振頻率也較低，相位差為毫秒級，電信號較易處理，同時可選用較厚的管壁，因此，其耐磨及抗腐蝕性能較好。但彎管型由于管形復雜，容易積存殘渣及氣體，引起附加誤差，其結構尺寸也比較大。目前，大多數科氏力式質量流量計均采用彎管型結構。圖2-5列舉了科氏力式質量流量傳感器測量管的部分管圖型。
一、直管型質量流量計、
直管型質量流量計的測量管是直管。如前所述，其特點是整個傳感器結構緊湊、體積小、重量輕，便于安裝，氣體易于排出測量管，同時亦便于較粘液體的排空。直管的振動頻率較高，一般在600～1200Hz，約為一般工業頻率的10多倍，因而其抗振性能較好。下面首先以雙直管型質量流量計為例，簡述其結構和測量原理。
圖2-6為雙直管型質量流量傳感器的一種典型結構的示意圖。雙直管型質量流量傳感器主要由測量管、電磁驅動器、信 檢測器、電源板和放大器板、支承管以及殼體等幾部分組成。號檢測器可以采用光電式和電磁式兩種檢測方式中的一種。在這種結構中，兩根測量管平行地焊接在兩側的聯管器上，并通過法蘭體可靠地固定在支承管上。測量管的材質為鈦合金或鋯合金，因而具有較高的強度、彈性以及較好的耐腐蝕、耐高性能。支承管外包裹著一層厚厚的發泡材料。支承管內被抽成真空，以防潮濕氣體在測量管外結霜，引起測量誤差，同時起到隔熱作用，使測量管的溫度與工藝管道內介質的溫度保持一致，并能防止測量管內介質的熱量擴散到電路部分，影響其工作性能。此外，測量管上還安裝有RTD溫度傳感器，檢測測量管的溫度，用來對質量流量和密度測量中由測量管材質的彈性模量隨溫度變化引起的溫度結構誤差進行補償，以提高測量準確度。
雙直管型質量流量計的測量原理如圖2-7所示。兩根平行直管，兩端固定，在其中部O (0’)點處，裝有電磁驅動器，用來激勵測量管振動，在測量管進、出口兩側對稱位置z1(x1，)、X2 (X2’)處，裝有信號檢測器，用來檢測兩測量管相對振動的位移。信號檢測器、信號放大處理電路及電磁驅動器構成一套正反饋自激振蕩系統。電磁驅動器的激勵，可以克服系統的阻尼，維持系統在諧振頻率下的振動。因為系統的阻尼一般都很小，這一自激振蕩的諧振頻率與系統的固有頻率很接近，維持振動所需要的能量也不大。如圖2- 7所示，在驅動器激勵下，兩根直管在所在平面內作相對振動，相位相差180。，Pl P2和P1'P2’分別是兩測量管的振動中心位置。在振動過程中的每一瞬時，都可將直管的振動視為一回轉系統。例如，當測量管I離開中心位置向Pi AP2方向運動時，測量管左半部管子可近似看成逆時針轉動，而右半部管子則可看成順時針轉動。測量管Ⅱ由于與測量管T相位相差180。，在同一瞬時，轉動的方向也與測量管T相反。
當測量管中無流體流動時，測量管處于上述單一振型的振動狀態。我們稱這一振動狀態為主振動。在這種振動狀態下，測量管進、出口側在返回中心位置的運動中，通過檢測點的時間是相同的。而當流體以速度y沿兩測量管流動時，測量管的振動狀態將被流體的質量流量所調制。 如圖2—8a所示，為分析簡單起見，圖中只畫出了一根測量管的運動和受力狀況。設在某瞬時，測量管在位置PlBP2，并向上運動。如上所述，這時，左右兩半部管子可分別近似看成是逆時針轉動和順時針轉動，設瞬時轉動角速度為n。顯然，角速度n也是交變的，其交變頻率與主振動頻率相同。質量流量計根據上一節中所闡明的里奧利力效應可知，當振動管中有流體流動，在該瞬時，于測量管進口側的任一點M處，流體質點的科氏加速度a1勺方向是垂直于測量管向上。此時，測量管所受到的流體科氏力fc即是垂直于測量管向下，與管子進口側的轉動方向相反，使振動減弱。而在測量管的出口側，與M點對稱的位置M 7處，測量管所受到的流體科氏力F：則垂直于測量管向上，與管子出口側的轉動方向相同，使振動增強。即在這一時刻，測量管受到來自左、右兩半部管子的大小相等、方向相反的科氏力。
當測量管向中心位置返回時，如圖2—8b所示，測量管左、右半部的瞬時角速度將變換方向。于是，在進、出口側-測量管.....所受流體科氏力也都變換了方向。
這樣，當流體在處于振動狀態的測量管中流動時，左半部和右半部的管道將分別受到來自流體的大小相等、方向相反的科氏力，從而構成使測量管扭曲的力矩。該力矩是交變的，其交變頻率與測量管主振動的頻率相同。于是，測量管將在原振型的基礎上，疊加同頻率的扭曲振動，扭曲振動的幅度，取決于流體的質量流量。在這種同一頻率的主振動和扭曲振動的復合振動狀態下，測量管進、出口側通過振動中心檢測點XI (X'I)和X2(X'2)的時間便產生了時間差At，可以證明，時間差At與流體的質量流量qm成正比，這樣，就可以通過測量兩檢測信號的時間差，直接測量流體的質量流量。
圖2 -9是一種（彈性平衡擺與測量管振動）互補式單直管型質量流量傳感器的結構示意圖。為了達到良好的振動隔離效果，在測量管中部連接有一個彈性平衡擺，應用動量守恒定律和而可有效地消除單直管系統振動的不平衡問
題。這種傳感器可設計成雙層殼體結構，內、外兩層殼體均具有一定的耐壓性。在內層殼體中抽以真空，而在內、外層殼體中間則充以氮氣，除防止潮濕氣體在測量管外壁結霜外，還可減小測量管振動的阻尼。此外，由于這種結構可以作成不縮徑的直通式測量管，因而具有流通能力大、壓損小、清洗更方便等特點。
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