Thread Content
I. Принцип работы показан на рисунке 1: берется вспомогательная труба, по которой жидкость движется со скоростью V от точки A к точке B; эта труба помещается в систему, вращающуюся с угловой скоростью ω. Пусть ось вращения — это ось X, а точка пересечения с трубой — O. Поскольку частицы жидкости внутри трубы движутся вдоль оси со скоростью V и по радиусу с угловой скоростью ω, на эти частицы действует сила Кориолиса тангенциального направления Fc. Эта сила действует на измерительную трубку в направлениях, противоположных друг другу, по обе стороны от точки O, и имеет одинаковую величину: δFc = 2ωVδm. Следовательно, путем прямых или косвенных измерений силы Кориолиса, возникающей при движении жидкости во вращающейся трубке, можно определить массовый расход. Вот основной принцип работы кориолисового расходомера массы. https://p3-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/a8ee5e7f3217445cae95bc8e7f422b8f Рисунок 1. Формирование силы Кориолиса. Рисунок 2. Ранние измерители массового потока на основе силы Кориолиса. II. Конструкция. Конструкция ранних измерителей массового потока на основе силы Кориолиса показана на рисунке 2. Поток жидкости подается во вращающуюся систему по трубопроводу, причем измерение массового расхода осуществляется с помощью датчика крутящего момента, установленного на валу. Этот расходомер был изготовлен только в лабораторных условиях. В проектировании коммерческих устройств использование кориолисовой силы, возникающей в результате вращения измерительной системы, является нецелесообразным; поэтому вместо вращательного движения применяется метод вибрации измерительной трубки. Таким же образом достигается действие кориолисовой силы на измерительную трубку, что приводит к её смещению под действием этой силы. Поскольку оба конца измерительной трубки закреплены, а силы, действующие на разные точки трубки, различаются, возникают и разные смещения. В результате на измерительной трубке формируется дополнительное искривление. Измерив разницу фаз в этом процессе искривления в разных точках, можно определить массовый расход жидкости, протекающей через измерительную трубку. Существует несколько распространенных форм измерительных трубок: трубки в форме буквы S, трубки в форме буквы U, трубки с двумя элементами в форме буквы J, трубки в форме буквы B, однородные прямые трубки, двойные прямые трубки, трубки в форме буквы Ω, двойные кольцевые трубки и т. д. Ниже мы кратко рассмотрим структуру каждого из этих типов трубок. 1. Массовый расходомер с S-образными измерительными трубками. Как показано на рисунке 3, измерительная система такого расходомера состоит из двух параллельных S-образных измерительных трубок, привода и датчика. Концы трубки закреплены, а в её центральной части расположен привод, который заставляет трубку вибрировать. На симметричных точках измерительной трубки установлены датчики, с помощью которых измеряется относительное смещение между вибрирующими трубками. Массовый поток пропорционален фазовой разнице между частотами колебаний, измеренными в этих двух точках. https://p1-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/60e9a3ab29e647b78b3263e0fecbbcb9 Рисунок 3. Структура массового расходомера типа S. Принцип работы и процесс функционирования такого массового расходомера показаны на рисунке 4. https://p9-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/407d2965feae4912b2810d7ab84c8873 Рисунок 4. Выход сенсора измерения смещения при отсутствии потока. Когда в измерительной трубке нет потока жидкости, две измерительные трубы под действием движущей силы (сила, действующая на каждую трубу, имеет одинаковую величину, но противоположное направление) совершают симметричные колебания с одинаковой амплитудой. Поскольку концы трубы закреплены, амплитуда колебаний наибольшая в середине трубы и постепенно снижается до нуля к концам. В этот момент фазы, измеренные на двух датчиках, показаны на рисунке 4B. Как видно из рисунка, разница фаз между данными двух датчиков равна нулю. Когда жидкость в измерительной трубке движется с скоростью V, скорость потока в любой точке жидкости может рассматриваться как сумма двух скоростей: горизонтальной Vx и вертикальной Vy (в направлении колебаний). При постоянном потоке скорость движения жидкости в горизонтальном направлении Vx остается постоянной. Как видно на рисунке 5, амплитуда колебаний в местах входа и выхода трубы равна нулю; скорость вертикального движения частиц потока Vx также равна нулю ； https://p1-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/26a765abcb1b4a92a2171718c838b067 Рисунок 5. Анализ нагрузок на вибрационную трубку. Когда частицы потока поступают в измерительную трубку в указанном на рисунке направлении, их вертикальная скорость движения равна +Vy; а когда частицы потока движутся к выходу, их вертикальная скорость движения равна -Vy. Из этого можно сделать вывод, что скорость течущей частицы в вертикальном направлении при прохождении через вибрирующую измерительную трубку постепенно увеличивается от нуля до максимального значения, а затем снова постепенно снижается до нуля. Согласно законам механики, изменение скорости обусловлено ускорением, а ускорение является результатом действия силы на объект. Согласно этому принципу, это изменение вертикальной скорости называется коэффициентом ускорения Кориолиса Ac; следовательно, сила Кориолиса, действующая на массу жидкости M, равна Fc = Mac. На трубке измерения в двух точках, находящихся на одинаковом расстоянии от центра, сила Кориолиса имеет одинаковую величину, но противоположное направление. Действие этой силы Кориолиса на измерительную трубку приводит к результату, показанному на рисунке 5: в точке посередине возникает пара сил, которые вызывают незначительное искривление или деформацию измерительной трубки. На самом деле при качательном движении колебания испытывают обе трубки типа S одновременно; направления их движения противоположны, а величина действующих на них сил равна, как показано на рисунке 6. https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/cb50afbd6f7a4d47996bd68caad47a5a Рисунок 6. Кориолисская сила, действующая на измерительные трубки. По мере прохождения колебательного движения измерительные трубки периодически раздвигаются и сближаются; в результате кориолисская сила также периодически действует на эти трубки. С помощью датчиков положения, установленных на измерительных трубках (A и B), определяется изменение их относительного положения под действием кориолисской силы. Обычно это преобразуется в измерение фазовой разницы между двумя точками, как показано на рисунке 7. Величина этой фазовой разницы пропорциональна массовому потоку. https://p6-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/6ddac2d5d2e0480cb424e1331586dc43 Рисунок 7. Выходной сигнал датчика смещения. 2. Расходомер с U-образными трубками. Как показано на рисунке 8, U-образные трубки могут иметь одну или две трубки для измерений. Принцип работы устройства с одной трубкой описан на рисунке https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/3777396cea1346869578ed52269d129b. Рисунок 8а: Структура с одной U-образной трубкой. Рисунок 8б: Структура с двумя U-образными трубками. Как показано на рисунке 9, электромагнитная система привода заставляет U-образные трубки колебаться с фиксированной частотой. Когда жидкость вынуждена двигаться вертикально внутри трубок, в первой половине цикла колебаний трубки движутся вверх; при этом жидкость в трубках создает силу, действующую вниз, что препятствует подъему трубок. После точки привода возникает сила, действующая вверх, что способствует ускорению подъема трубок. Суммарное действие этих двух сил приводит к искривлению измерительной трубки ； В другой половине периода колебаний направление искривления противоположно. https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/ecbcac25315b43c987e404c4938379c3 Рисунок 9. Принцип работы U-образной трубки. Степень изгиба измерительной трубки пропорциональна массовому расходу жидкости, проходящей через нее. По обе стороны от точки привода устанавливаются электромагнитные датчики для измерения фазовой разницы в движении трубки; эта фазовая разница напрямую пропорциональна массовому расходу жидкости. В конструкции с двумя трубками в форме буквы U направление колебаний этих трубок противоположно, что приводит к тому, что фаза искривления трубок отличается на 180 градусов, как показано на рисунке 10. По сравнению с однотрубчатыми измерительными устройствами, у двухтрубчатых устройств сигнал обнаружения усиливается, а пропускная способность также повышается. https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/33223349658b4e13885dc4c0b2e673fb Рисунок 10. Схема деформации измерительной трубки 3. Массовый расходомер с двумя J-образными трубками Как показано на рисунке 11, две J-образные трубки расположены симметрично относительно центральной трубы ； Драйвер, установленный в J-образной части, заставляет трубку вибрировать с определенной постоянной частотой. https://p6-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/0e620b87956a44218fec166f9a44e7c4 Рисунок 11. Структура расходомера массового потока с трубкой в форме буквы J. Принцип его работы показан на рисунке 12: когда жидкость в измерительной трубке движется с определенной скоростью, из-за возникновения колебаний в жидкости создается эффект Кориолиса. Эта сила Кориоля действует на измерительную трубку, но направления сил Кориоля, возникающих в верхней и нижней частях трубки, различаются. В прямых участках трубки это приводит к разным дополнительным движениям, то есть к фазовой разнице в относительном положении. https://p6-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/ad41f31e75fd4f8da0d8b984e6e4f2d0 Рисунок 12. Принцип работы трубки в форме буквы J. В системе измерения с двумя трубками в форме буквы J направление колебаний этих трубок в один и тот же момент времени противоположно, что увеличивает фазовую разницу в относительном смещении верхней и нижней частей трубок. Как показано на рисунке 13, при отсутствии потока жидкости фазовая разница сигналов смещения, получаемых с датчиков A и B, равна нулю. https://p1-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/fe649b19441c489da8de91c13312c062 Рисунок 13. Состояние вибрации измерительной трубы при отсутствии потока. Когда в измерительной трубе происходит поток жидкости, сила Кориолиса оказывает определенное воздействие на трубу в направлении, вызывающем ее вибрацию. Результаты этого воздействия показаны на рисунке 14. Когда труба 1 раздвигается, а труба 2 сближается, верхняя часть трубы 1 движется быстрее, а нижняя — медленнее. В трубе 2 происходит противоположное: верхняя часть движется быстрее, а нижняя — медленнее ； В результате между сигналами, полученными датчиками, установленными в верхней и нижней частях, существует фазовая разница, как показано на рисунке 15. Величина этого сигнала напрямую отражает массовый расход. https://p1-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/baf748aec2b3469e9d3e5816fb3c179e Рисунок 14. Состояние вибрации трубки измерения при наличии потока https://p1-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/3e723cabd7de4cb7b4844a2374a4abf7 Рисунок 15. Сигнал, выходящий от датчика 4. Расходомер с трубками типа B Как показано на рисунке 16, система измерения расхода состоит из двух параллельных трубок типа B. Исследуемая жидкость посредством разделяющего устройства равномерно подается в две измерительные трубки формы B. Приводное устройство расположено в центральной части между этими трубками и заставляет их вибрировать с определенной стабильной гармонической частотой. При возникновении движения наружу в измерительной трубке, как показано на рисунке 17а, прямые участки трубы отталкиваются друг от друга. Под действием привода контуры L1’ и L1” сближаются друг с другом; аналогично происходит и с контурами L2’ и L2”. Поскольку каждый контур закреплен с одного конца к корпусу расходомера, вращательное движение подавляется в концевой зоне, в результате чего оно сосредотачивается вблизи узла. https://p6-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/eac58b1921654ad9a123e5002b806a63 Рисунок 16. Структура расходомера массового потока типа B. Под действием силы Кориоля жидкость в каналах L1’ и L1” движется медленнее, тогда как на противоположных концах, в каналах L2’ и L2”, скорость движения жидкости увеличивается. https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/f0edf95fb2644c939070bc3364f28978 Рисунок 17. Состояние нагрузок на трубу формы B во время работы. При измерении движения трубы внутрь, как показано на рисунке 17b, происходит противоположная ситуация. Части прямых участков трубы при действии движущей силы сближаются друг с другом, в то время как два контура на обоих сечениях движутся в противоположных направлениях. Кориолисова сила, возникающая в потоке жидкости в трубопроводе, добавляясь к этому основному движению, ускоряет скорость разделения циклов L1' и L1'', в то время как скорость разделения циклов L2' и L2'' снижается. Благодаря разумному размещению датчиков между двумя каналами на торцевой поверхности, движения, вызванные силой Кориолиса, могут использоваться для точного определения массового расхода жидкости. 5. Массовый расходомер с одним прямым трубопроводом. Структура такого расходомера показана на рисунке 18. Система измерения состоит из прямой трубы, закрепленной с обоих концов с помощью фланцев, и устройства для генерации вибраций, расположенного на этой трубе. https://p3-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/12eb20f97b334b409a297fa56ec06cc2 Рисунок 18. Структура расходомера с одной прямой трубкой. Когда в трубке нет потока жидкости, привод заставляет трубку вибрировать; при этом в жидкости не возникает силы Кориолиса. На точках A и B действуют равные силы, а скорости изменения также одинаковы, как показано на рисунке 19b. https://p1-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/6ffff99af7054f278f9fba768ecad4ce Рисунок 19. Принцип работы расходомера массового потока с одной прямой трубкой. Когда жидкость в измерительной трубке движется с скоростью V, под действием усилий вибрации в точке C (в этот момент усилие направлено вверх) частицы жидкости, двигаясь от точки A к точке C, ускоряются. В результате возникает противодействующее усилие F1, которое замедляет движение трубки вверх ； А между точками C и B частицы жидкости замедляются, что способствует увеличению скорости движения трубы вверх. В результате две силы, действующие в противоположных направлениях по обе стороны от точки C, вызывают деформацию трубы. Разница фаз этих деформаций пропорциональна массовому расходу жидкости, проходящей через трубу. 6. Массовый расходомер с двумя прямыми трубками. Рисунок 20. Структура массового расходомера с двумя прямыми трубками: https://p6-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/b9023ec5fcbb416499c886d1d5f8e25d. На рисунке 20 показана структура такого расходомера. По сравнению с расходомером с одной прямой трубкой, конструкция с двумя прямыми трубками позволяет снизить потери давления и усилить сигнал, поступающий от датчика. На рисунке 20 показано, что привод расположен в центральной части, а два фотодатчика находятся симметрично по обе стороны от центра. Как видно на рисунке 20а, при такой конструкции измерительная трубка практически не подвергается воздействию осевых сил. Принцип работы двухтрубчатого расходомера массы показан на рисунке 21. Когда поток жидкости отсутствует, фаза смещения, возникающего в трубках под действием световых датчиков, остается одинаковой ； Когда жидкость протекает через две вибрирующие измерительные трубки, возникает сила Кориолиса. Эта сила заставляет точки колебаний трубок смещаться в противоположных направлениях. Жидкость, находящаяся внутри трубок перед точками колебаний, способствует затуханию колебаний трубок, то есть уменьшает скорость их смещения ； Жидкость в трубке после точки колебаний усиливает колебания, то есть ускоряется скорость смещения трубки. С помощью фотоэлектрических датчиков измеряется фазовая разница между двумя концами; при постоянной частоте колебаний эта фазовая разница пропорциональна массовому потоку в трубке измерения. https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/9ecccaab8bf044b4adf19e28c1a37bce Рисунок 21. Принцип измерения с использованием двух прямых труб. 7. Массовый расходомер с Ω-образной трубой. Структура такого расходомера показана на рисунке 22. Привод располагается в середине прямой части трубы; когда жидкость течет в трубе с определенной скоростью, вибрации привода заставляют трубу раздвигаться или сближаться. https://p6-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/e7b33d00eeaa4db0a581f7b696990ddb Рисунок 22. Схема конструкции расходомера массового потока с трубкой в форме буквы Ω. Как показано на рисунке 23а, когда трубки разделены, сила Кориолиса, возникающая в жидкости перед точкой колебаний, действует в противоположном направлении к силе, вызывающей колебания, что замедляет скорость движения трубок ； После точки колебаний сила Кориолиса, возникающая в жидкости внутри трубы, действует в том же направлении, что и колебания, что ускоряет движение трубы. Когда привод приближает трубку, как показано на рисунке 23b, возникает противоположный результат. Фазовая разница в движении потока в трубах, измеряемая датчиками, расположенными в точках A и B, позволяет определить массовый расход жидкости, протекающей через измерительную трубу. https://p3-tt-ipv6.byteimg.com/large/pgc-image/8bddf38daf004cca9d9a9871fb358e9e Рисунок 23. Принцип измерения массового расхода с использованием трубки в форме буквы Ω. 8. Массовый расходомер с двумя кольцевыми трубками. Такой расходомер состоит из пары параллельных спиральных трубок с короткими прямыми участками, как показано на рисунке 24. В средней точке трубы D установлен привод, который заставляет две измерительные трубы колебаться периодически в противоположных направлениях. На концах эллиптической спиральной трубы, на расстоянии, равном расстоянию от средней точки D, размещены два датчика, которые измеряют скорость относительного движения труб в этих точках. Разница фаз между этими двумя скоростями пропорциональна массовому потоку жидкости, проходящей через измерительные трубы. https://p26-tt.byteimg.com/large/pgc-image/2207a01e426343cb81a6d206bd6fded7 Рисунок 24. Двухкольцевой измеритель массового расхода. Принцип его работы можно описать следующим образом: когда в трубке нет потока жидкости, колебания заставляют трубку деформироваться; на обоих концах средней точки фазовая разница в колебаниях равна нулю. Когда в трубке есть поток жидкости, до момента максимальной амплитуды колебаний частицы жидкости под действием силы Кориолиса создают силу, противоположную направлению колебаний; после этого момента возникает сила, соответствующая направлению колебаний. Поскольку в один и тот же момент силы, действующие на две измерительные трубки, имеют одинаковую величину, но противоположные направления, это приводит к увеличению или уменьшению скорости движения трубки в точках измерения. Измерение фазовой разницы в этих точках позволяет определить массовый расход жидкости, проходящей через трубку. III. Структурные характеристики расходомеров массы В системе измерений сила Кориолиса, действующая на частицы потока на измерительной трубке, является весьма малой, что создает значительные трудности для точных измерений. Чтобы в измерительной трубке возникал достаточно сильный сигнал, необходимо увеличить действие коэрционной силы на нее или, при одинаковой величине коэрционной силы, увеличить степень деформации измерительной трубки. Ω. В принципе, Fc = 2ωVM; при постоянном объеме исследуемой жидкости значение Fc можно увеличить только путем повышения значений ω или V. На практике при увеличении ω необходимо на приборе повышать частоту вибрации и амплитуду колебаний. Повышение частоты вибрации серьезно сказывается на сроке службы измерительной трубки, а для увеличения амплитуды вибраций требуется больше энергии. Увеличение V означает повышение скорости потока, что в свою очередь приводит к увеличению статического давления в измерительной трубке, а также к увеличению потерь давления в расходомере для всей системы. Это негативно сказывается как на самом расходомере, так и на всей системе в целом. С другой стороны, с точки зрения конструктивного проектирования необходимо учитывать повышение эффективности действия кориолисовой силы на вибрационную трубку, а также повышение способности датчика к обнаружению сигналов; о повышении характеристик последнего здесь не говорится. Чтобы повысить эффективность действия силы Кориолиса на измерительную трубку, необходимо улучшить упругость всей конструкции трубки, снизить её жесткость, использовать материалы с высокой упругостью и стабильными характеристиками, а также точно выбрать частоту колебаний системы. Чтобы при одинаковой силе Кориолиса увеличилась величина деформации измерительной трубки. Как правило, чем тоньше стенки измерительной трубы и чем больше её длина, тем лучше упругость конструкции, и тем более заметной становится сила Кориолиса, действующая на трубу. Это позволяет увеличить деформацию измерительной трубки, повысить соотношение сигнал/шум, а также снизить влияние внешних помех. Напряжения, действующие на измерительную трубку, не должны сосредотачиваться в одной точке, чтобы избежать механической усталости. Различные формы действия напряжений также оказывают определенное влияние на усталость трубы и чувствительность измерений. У разных конструкций, благодаря различию в принципах их проектирования, есть свои особенности, но существуют и определенные проблемы; ни одна из форм не может быть идеальной. В ответ на эти проблемы производители постоянно совершенствуют свою продукцию, чтобы повысить её характеристики и улучшить её конкурентоспособность. Ниже приведен краткий анализ влияния конкретной структуры на производительность. 1. Форма измерительной трубки: Увеличение упругости измерительной системы повышает влияние силы Кориолиса на систему вибрирующих трубок, но также усиливает помехи от внешних механических шумов и увеличивает размеры прибора. В трубке для измерений следует максимально сократить резкие изгибы и увеличить внутренний диаметр трубки, что позволит снизить потери давления. У устройств с двумя измерительными трубками улучшается соотношение сигнала к шуму, а также повышается пропускная способность; они широко не применяются. 2. Стенка трубы: Увеличение толщины стенки делает трубу более жесткой, а также увеличивает ее массу при потоке жидкости. Это снижает влияние изменений плотности, вызванных неравномерным распределением газов в жидкости, на вибрации трубы. Кроме того, это повышает прочность и износостойкость трубы. Однако это снижает упругость системы, что в свою очередь влияет на чувствительность измерений. 3. Производство и монтаж: при изготовлении измерительных труб необходимо обеспечить их симметрию; в конструкции с двумя измерительными трубами должна соблюдаться одинаковость характеристик обеих труб. Положение датчика также должно быть точным, чтобы свести к минимуму влияние изменений плотности или вязкости на результаты измерений. Нестабильность распределения качества трафика влияет на точность результатов измерений. В принципе, величина силы Кориолиса, действующей на измерительную трубку, зависит только от массового расхода жидкости, а не от её плотности и вязкости. Но изменение плотности приводит к возникновению дополнительных сил инерции ； А изменения вязкости обусловлены различиями в слое, прилипшем к внутренней стенке измерительной трубки, что приводит к разным эффектам граничного слоя. В результате происходит нестабильное распределение массы в измерительной трубке, что влияет на точность результатов измерений.