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科里奥利质量流量计由特殊材料设计提供流量信息和辅助功能

来源：上海自动化仪表有限公司作者：发表时间：2018-09-28 09:17:00【小中大】

这是法国工程师古斯塔夫·科里奥利首先指出，由于地球向东旋转，在地球表面移动的所有物体倾向于侧向漂移。在北半球，偏转位于运动的右侧；在南部，它在左边。这种漂移在海洋的潮汐活动和地球的天气中都起着主要作用。

因为赤道上的一个点每天的轨迹比靠近两极的点要大，所以朝向任何一个极点的一个物体将向东移动，因为它通过较慢的旋转表面时保持较高（向东）的旋转速度地球。这种漂移被定义为科里奥利力。

第一批工业科里奥利专利可追溯到20世纪50年代，建于20世纪70年代。这些流量计人为地将科里奥利加速度引入流动的流中，并通过检测产生的角动量来测量质量流量。

当流体在管道中流动时，通过机械引入管道内的明显旋转而受到科里奥利加速度的影响，由科里奥利惯性效应产生的偏转力的大小将取决于流体的质量流率。如果一个管道在液体流经它的位置（朝向或远离旋转中心）绕一个点旋转，则该流体将产生惯性力（作用于管道），该惯性力将与该管道的方向成直角流。

图：科里奥利原则

参照图，颗粒（dm）以管（T）内的速度（v）行进。管围绕固定点（P）旋转，并且粒子与固定点之间的距离为一个半径（r）。在两个加速度分量下，粒子以一个角速度（w）运动，一个朝向P的向心加速度和一个与ar成正比的科里奥利加速度：

ar（向心）= w2r

在（科里奥利）= 2wv

为了赋予流体颗粒科里奥利加速度（at），必须由管产生（dm）的力。流体粒子以相等且相反的科里奥利力对此力作出反应：

Fc = at（dm）= 2wv（dm）

然后，如果过程流体具有密度D并且在横截面积A的旋转管内以恒定速度流动，则长度为x的管的一段将经历如下量值的科里奥利力：

Fc = 2wvDAx

由于质量流量为dm = DvA，科里奥利力Fc = 2w（dm）x，最后：

质量流量= Fc /（2wx）

这就是流动流体对旋转管施加的科里奥利力的测量如何提供质量流量的指示。自然地，在制造商用流量计时旋转管是不实际的，但是振荡或振动管可以达到相同的效果。科里奥利流量计可以测量正向或反向通过管道的流量。

在大多数设计中，管锚固在两个点上并在这些锚之间振动。

这种配置可以设想为振动弹簧和质量组件。一旦运动，弹簧和质量组件将以其共振频率振动，这是该组件质量的函数。选择此谐振频率是因为需要最小的驱动力来保持充满的管子处于恒定的振动状态。科里奥利演化与科技第一代科里奥利流量计由单一弯曲管和薄壁管组成，其中通过减少与工艺管道相关的管道横截面积创建了高流体速度。管畸变是参照固定点或平面测量的。管以这样的方式被激发，即在锚点产生局部的高振幅弯曲力。这导致了严重的振动问题，这可以通过双管设计得到缓解。

这些设计减少了外部振动干扰，降低了振动管所需的功率，并最小化离开管结构的振动能量。一名驾驶员被用来启动管道振动，并使用两个传感器来检测科里奥利偏转。尽管这种设计大大提高了性能，但减少内径，薄壁管和高流体速度（高达50英尺/秒）的组合仍然导致过早的流量计故障，包括当流量计用于腐蚀性和腐蚀性时潜在的灾难性溢出服务。此外，未得到回收的水头损失很高（有时超过50 psid），准确性不足以让用户将批处理过程转换为连续过程。

图：扭转弯曲

图：支持块和多个传感器

最近的设计改进包括引入各种新的管形，包括不分流和使用多个驱动。厚壁管（比早期设计厚5倍），采用全孔直径和重型歧管将管结构与管道连接引起的应力隔离开来，以及兼作二级安全壳容器的流量管壳体都有助于提高性能。

在一些设计中，扭转应力取代了弯曲，以防止可能导致管开裂的应力集中。在其他设计中，通过将管结构横向于管道安装，管道振动的影响已经被最小化。

这些改进增加了供应商的数量，并有助于开发与传统体积流量计一样可靠和坚固的新一代科里奥利流量计。新设计可在较低的流体速度（低于10英尺/秒）和较低的压降（低于12psid）下工作，可以安装在任何方向，并且在浆液，粘性，腐蚀性或腐蚀性服务中提供更长的使用寿命。管子的振动远低于其耐用极限，通常由不锈钢，哈氏合金和钛制成。管道设计管道可以是弯曲或直线形式，有些设计也可以在垂直安装时自行排水。当设计由两根平行的管子组成时，流量由流量计入口附近的分流器分成两股气流，并在出口重新组合。在单连续管设计中（或串联连接的两个管中），流量不会在流量计内部分流。

无论哪种情况，驾驶员都会振动管道。这些驱动器由连接到一个管的线圈和连接到另一个的磁体组成。发射器向线圈施加交流电，这使得磁体被吸引并被轮流排斥，从而迫使管朝向彼此并远离彼此。传感器可以检测管的位置，速度或加速度。如果使用电磁传感器，传感器中的磁体和线圈会随着管子的振动而改变它们的相对位置，从而导致线圈的磁场发生变化。因此，从线圈输出的正弦电压表示管的运动。

当双管设计中没有流量时，由线圈和磁体驱动引起的振动在两个传感点（B1和B2）处产生相同的位移。当存在流动时，科里奥利力会产生二次扭曲振动，导致相对运动的相位差较小。这在传感点被检测到。由科里奥利力引起的管的偏转仅在存在轴向流体流动和管振动时才存在。零流量下的振动或没有振动的流量不会产生仪表的输出。

管结构的自然共振频率是其几何结构，结构材料以及管组件的质量（管的质量加上管内的流体的质量）的函数。管的质量是固定的。由于流体的质量是其密度（D）乘以其体积（也是固定的），所以振动的频率可能与过程流体的密度（D）有关。因此，流体的密度可以通过测量管的振荡的共振频率来确定。（请注意，密度可以在零流量下测量，只要管充满流体并振动即可）。

从设计到设计，壁厚都有很大差异;但是，即使最坚固的管道也会比工艺管道更薄。另外，有些设计使用小孔管，大大增加了流速（从5-10英尺/秒到超过25英尺/秒）。具有薄壁和高流体速度的设计（即小孔管）可能需要使用特殊材料，因为侵蚀问题。通过选择具有最厚壁和最慢流速的设计，可以获得最长的流量计寿命，从而可以提供所需的精度和范围。

考虑到腐蚀或防止点蚀，威尼斯8040科里奥利流量计可能需要由特殊材料制成。碳钢或不锈钢通常可用于工艺管道，因为可以容忍少量的点蚀。关于科里奥利流量计，即使是少量的点蚀也是不能容忍的，因为壁很薄，点蚀引起管结构内的应力集中。因此，标准腐蚀表（基于重量损失标准）不适用于选择科里奥利管材料，并且必须使用制造商的更严格的指导方针。

流量计设计可以在交流或直流电源下工作，并要求电源和输出信号分开布线。科里奥利流量计可以整体安装或远程安装。变送器控制驱动器的操作并处理并传输传感器信号。变送器存储器中的校准系数（K）与变送器与特定流量管匹配。该校准系数定义了科里奥利力与特定振动管的动态弹簧常数的质量流量之间的比例常数。

流量计不只是将传感器输入转换成标准化输出信号。大多数变送器还提供多种输出，包括质量流量，总质量流量，密度和温度。模拟和/或脉冲输出都可用，智能变送器可以生成数字输出以集成到DCS系统中。

流量计通常配备本地显示器和小键盘，以便轻松访问过程数据。威尼斯8040科里奥利流量计不仅提供流量信息和辅助功能。批处理控制功能，Brix百分比或HFCS监测百分比，粘度，固体百分比，PID，API比重和比重也是可用的。当需要粘度信息时，需要测量流量计压降。其他功能可能需要将信息预编程到发送器存储器中。另外，变送器还有其他硬件和软件选项，允许用户将它们定制到应用程序中。

图：具有键盘显示的科里奥利发射器

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