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揭秘科氏流量計:精度與效率的完美融合
發(fā)布時間:2024-11-15 08:09:09

科里奧利質(zhì)量流量計(簡稱科氏流量計)基于流體在振動管道中流動時產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理,直接測量質(zhì)量流量,因其精度高、結(jié)構(gòu)簡單且流阻小等優(yōu)點,在化工、石油、天然氣和低溫工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

科氏流量計通常在室溫條件下使用水工質(zhì)進行校準,隨著測量擴展到液氮、液氫等低溫流體,發(fā)現(xiàn)溫度對科氏流量計精度的影響顯著。溫度效應(yīng)對科氏流量計精度影響體現(xiàn)在溫度變化引起測量管材料彈性模量和泊松比等的非線性變化。可見,溫度修正準確性與流量計的數(shù)學模型、材料低溫參數(shù)等密切相關(guān)。

目前,直管型科氏流量計的質(zhì)量流量計算模型形式統(tǒng)一,溫度影響大多基于文獻建立的簡化直管科氏流量計模型,對材料物性進行修正,計算結(jié)果與數(shù)值仿真和實驗結(jié)果吻合得很好。文獻考慮彈性模量和線性熱膨脹系數(shù)與溫度的非線性關(guān)聯(lián)式,提出了一種對參考條件下流量標定系數(shù)校正的溫度修正方法,并實驗驗證了準確性。文獻基于歐拉-伯努利梁的簡支梁剛度模型,考慮材料的溫度依變,得到了僅包含材料線膨脹系數(shù)和溫差的流量計相對誤差理論計算表達式。

而U型科氏流量計的質(zhì)量流量計算模型沒有統(tǒng)一的解析方程,且大多數(shù)用于溫度修正的質(zhì)量流量數(shù)學解析方程并未與室溫下的實驗結(jié)果進行對比驗證。理論計算模型的推導(dǎo)過程中多將測量管簡化為Π形,忽略作用在彎管段上的科氏力。當測量管直管段長度與彎管段半徑之比較小時,測量管的力學模型和剛度系數(shù)的計算會與實際產(chǎn)生較大的誤差,從而對溫度修正的準確性產(chǎn)生重要影響。

2000年,文獻使用卡氏第二定理對Π形管進行了運動分析,獲得了測量管剛度系數(shù)和質(zhì)量流量的表達式。2015年,文獻從科氏質(zhì)量流量計的敏感機理出發(fā),建立了Π型流量計的靈敏度模型,并依據(jù)材料的彈性模量隨溫度變化的線性模型,建立了流量計的靈敏度和溫度的補償模型。2018年,文獻運用Kirchhoff-Cosserat理論,建立了流量計的力學模型,將U形管簡化為Π形管,得到溫度與測量管諧振頻率之間的定量關(guān)系,ANSYS仿真結(jié)果與理論分析表明,測量管諧振頻率隨溫度的升高逐漸降低。

2020年,文獻根據(jù)自由彎曲振動方程和扭轉(zhuǎn)運動方程推導(dǎo)出質(zhì)量流量方程,并通過分段擬合彈性模量和剪切模量的溫度函數(shù),建立一種從低溫(5K)到室溫范圍內(nèi)溫度修正系數(shù)方法,在285~318K的溫度范圍內(nèi)獲得了與實驗一致的結(jié)果。最近,文獻提出了一種降低測量LNG質(zhì)量流量不確定度的新方法,利用LNG密度計算值和固有彎曲頻率測量值推導(dǎo)彈性模量,利用扭轉(zhuǎn)頻率和彎曲頻率測量值計算泊松比,從而得到該溫度下準確參數(shù)值,提高了流量測量精度。

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