提升流体传感器精度，实现精确工业过程测量

启动汽车、从水龙头接杯水、将食用油拌入布朗尼面糊——你使用的液体都经过了精心提取、加工和质量评估。使这些流体可供消费者使用的惊人远见和技术往往隐于幕后，却需要精确测量和监测。

处理医药产品时，如何判断流体质量？处理原油时，如何知道提取量？输送水时，如何知道流速？

这类影响水务、食品、生命科学、油气公司信心和利润的问题，由安装在管道和其他设备中的流量计制造商解决。在Endress+Hauser，产品开发团队致力于开发和维护适用于各种需要不同测量方法物质的精准传感器。

科里奥利力测量原理

为确定管道中流体特性，Endress+Hauser设计的传感器测量插入管道的一个或多个振荡测量管内科里奥利力效应。

流体进入装置前先激励管子。静止流体填满装置时，管子均匀振荡。流体开始流过振荡管时，对管壁施加力。测量管振荡被流体颗粒视为绕轴旋转。因流体颗粒在动参考系中运动，经历垂直于运动方向和旋转轴的惯性力——科里奥利力。因流速相对旋转轴在进出口段方向相反，感应力使管子非对称偏转，导致管子沿程相位偏移或时间滞后。

管子不同段开始以时间滞后或相位偏移振荡，由管子运动扭转分量引起。相位偏移和管子新振荡频率分别为管内质量流量和流体密度函数。因此可通过仪表信号解读测量质量或体积流量，确保输送所需流体量。

同样，流体粘度增加导致振荡阻尼增加。振荡频率主要直接测量流体密度。例如，油类（低密度高粘度）振荡更快但阻尼更大，水（高密度低粘度）振荡较慢阻尼较小。测量振荡频率和阻尼可确定密度和粘度，监测流体流动相关工艺质量。相同物理效应适用于悬臂等在运动流体中振荡的物体。

粘声学仿真案例

图1. Endress+Hauser设计的科里奥利流量计。（图片来源：COMSOL）

Endress+Hauser Flow高级数值仿真专家Vivek Kumar博士致力于提升传感器性能。其建模工作帮助团队深度理解流量计声学、结构和流体流动效应。理解流固耦合和振动声学如何影响传感器性能，使他们能进行各种设计调整改进仪表性能和质量。

团队从粘声学模型开始数值分析，理解粘性流体流经振荡管时发生的复杂粘性阻尼。

图2. 仿真结果显示不同流体粘度下管子振荡频率变化及机械位移（左）。管子因振荡运动产生变形视觉示例（右）。（图片来源：COMSOL）

使用COMSOL Multiphysics®软件分析流体粘度对管子振荡频率影响。图2显示仿真结果预测不同粘度流体的频率和管子位移。通过仿真更好理解导致仪表频率输出偏移的物理效应，团队能利用这些效应改进仪表性能。本案例中，利用管子阻尼变化补偿粘度对测量密度误差的影响。

"我们想了解不同流体如何影响传感器性能。通过仿真，我们分析不同情况并最终优化器件设计，帮助客户表征其使用或提取流体的材料属性。"——Kumar

微尺度MEMS科里奥利芯片案例

图3. 用于密度粘度测量的MEMS科里奥利芯片。左图为钳持的完整传感器，右图为芯片内部布局。（图片来源：COMSOL）

图4. 振荡微通道两个固有模态。颜色表示通道不同区域相对位移水平。（图片来源：COMSOL）

TrueDyne Sensors AG（Endress+Hauser Flow子公司）基于相似概念开发MEMS器件。设计测试振荡传感器测量多种用途的流体热物理属性。团队为特定客户方案开发传感器，因此必须知道哪类振荡器能为独特情况提供最佳灵敏度。

MEMS科里奥利芯片（图3）利用自由振动微通道，原理同大型科里奥利流量传感器。同科里奥利仿真，需对微通道进行振动分析确定基本固有模态和流道两端振荡频率（图4）。此传感器用于评估惰性气体、液化石油气（LPG）、烃类燃料、冷却润滑剂等流体密度粘度。因尺寸小，适合测量极小流体量。

图5. MEMS科里奥利芯片2D（上）和3D（下）热仿真结果显示温度分布。（图片来源：COMSOL）

此类小器件特定挑战：驱动激励的高压若发生电气故障会导致发热。鉴于安全风险，进行热分析（图5）确定芯片热量耗散位置及流体是否过热。确认得益于包围流道的真空室最小化电极与流体热传递，温度未超限。

优化电磁流量计

图6. Endress+Hauser设计的Promag W 400电磁流量计，无进出口直管段（0 x DN）。管内电极可见，聚氨酯衬里提供管与液体电绝缘。（图片来源：COMSOL）

另一类流量计是电磁流量计，利用洛伦兹力。洛伦兹力作用于磁场中运动带电粒子（图6）。此类流量计中，粒子是导电液体离子，运动来自液体流经管道，磁场由管道上下线圈提供。结果在管道横向产生电磁势，可用一对电极测量。信号通常仅几百mV每m/s；设计得当，测量势与流速成比例、与电导率无关。

电磁流量计仿真需多物理场建模软件计算线圈产生磁场和管内流速分布，结合计算电势（图7）。电磁流量计通常指定精度为几个百分点分数，仿真必须极其精准。Endress+Hauser Flow仿真专家Simon Mariager博士和Simon Triebenbacher博士用此仿真消除电磁流量计主要限制之一：对流速剖面敏感。

图7. 电磁装置多物理场模型。线圈电流显示为红箭头，流线显示流量计内磁场强度。彩色切片图显示流量计入口流速大小。此非均匀流速剖面由上游90度弯管产生（未显示）。中心半切片显示0 x DN全孔径传感器更均匀的权函数，指示设计独立于流速剖面及相关干扰。（图片来源：COMSOL）

传统电磁流量计虽惊人地稳健，但流速剖面变化——如管道弯曲后——确实导致测量误差。因此制造商建议流量计前有特定长度直管段（通常公称直径10倍）。但此推荐设计使电磁流量计安装具挑战性，因管径从几毫米到数米不等。消除进口直管段是Endress+Hauser Flow近期开发项目目标。工作要求优化流量计权函数。理论上要求权函数旋度处处为零，但现实几何不可能。

改用额外测量电极提供必要自由度。团队仍需确定需要多少电极及放置位置。用管道扰流后（如弯管、阀门）流动仿真，预测电磁流量计各种实际应用性能，优化设计至新流量计几乎独立于流速剖面。

服务公司与客户需求

对Endress+Hauser仿真团队，COMSOL Multiphysics®软件功能助力日常研发优化开发流量测量设备。多物理场分析提供洞察，减少测试原型总时间精力，生产最高质量传感器。

"这些工具用于解决客户问题；我们在现场看到效果，创新实践；看到回报，这就是我们做这事的理由。"——Christof Huber博士，Endress+Hauser Flow高级传感器技术首席专家

本文由Rachel Keatley为COMSOL（马萨诸塞州Burlington）撰写。更多信息请访问此处。