提高流体传感器的精度以实现精确的工业过程测量

启动你的汽车，从水龙头里倒一杯水，或者将食用油混合到你的布朗尼面糊中，你使用的是经过仔细提取、加工和质量评估的液体。使此类液体可供消费者使用的惊人远见和技术往往是看不见的，但需要精确的测量和监控。

加工药品时，如何判断液体是否优质？如果您从事原油工作，您如何知道开采量是多少？如果您正在输送水，您如何知道流量？

诸如此类的问题影响着水、食品、生命科学以及石油和天然气公司的信心和利润，安装在管道和其他设备中的流量计制造商正在解决这些问题。在 Endress+Hauser，产品开发团队致力于为需要不同测量方法的各种物质开发和维护精确的传感器。

测量科里奥利力

为了确定管道中流动的流体的特性，Endress+Hauser 设计的传感器测量插入由一个或多个振荡测量管组成的管道中的设备内科里奥利力的影响。

在任何流体进入装置之前，管子被激发。当静止的液体充满装置时，管子会均匀振荡。一旦流体开始流过振荡管，流体就开始对其壁施加力。测量管的振荡被视为流体颗粒绕轴的旋转。由于流体粒子在移动参考系中移动，因此它们会受到垂直于其运动方向和旋转轴作用的惯性力，即科里奥利力。由于相对于旋转轴的流速在入口和出口部分具有相反的方向，因此诱导力会以不对称的方式使管子偏转，从而导致沿管子的相移或时滞。

管子的不同部分开始振荡，并伴随着由管子运动中的扭转分量引起的时滞或相移。该相移和管的新振荡频率分别是管中质量流量和流体密度的函数。因此，来自流量计的信号可以被解释为测量质量或体积流量，并确保输送所需的流体量。

同样，流体粘度的增加导致振荡阻尼的增加。振荡频率主要是流体密度的直接测量。例如，与水等流体（密度较高、粘度较低）相比，油等物质（密度较低、粘度较高）的振荡速度更快，但阻尼更大。通过测量振荡的频率和阻尼，可以确定密度和粘度，并监控与流体流动相关的过程质量。相同的物理效应也适用于在移动流体中振荡的物体，例如悬臂梁。

粘声示例

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

Vivek Kumar 博士是 Endress+Hauser Flow 的数值模拟高级专家，Endress+Hauser Flow 是 Endress+Hauser 制造这些流量计的分支机构（图 1），致力于提高传感器性能。他的建模工作帮助他的团队深入了解流量计中的声学、结构和流体流动效应。了解流固耦合和振动声学如何影响传感器的性能，使他们能够进行各种设计调整，以提高仪表的性能和质量。

该团队开始使用粘声模型进行数值分析，以了解粘性流体流过振荡管时发生的复杂粘性阻尼。

图 2. 仿真结果显示了不同流体粘度下管振荡频率的变化以及由此产生的机械位移（左）。由于振荡运动而导致管变形的直观示例（右）。 （图片来源：COMSOL）

他们使用 COMSOL Multiphysics® 软件分析了流体粘度对管振荡频率的影响。图 2 显示了他们的模拟结果，预测了不同粘度流体的频率以及管的位移。凭借模拟和更好地理解导致仪表频率输出变化的物理效应的能力，团队能够利用这些效应来提高仪表的性能。在这种情况下，利用管阻尼的变化来补偿粘度对测量密度误差的影响。

“我们想了解不同的流体将如何影响传感器的性能，”库马尔说。 “通过仿真，我们能够分析不同的情况并最终优化我们的设备设计，以帮助我们的客户表征他们正在使用或提取的流体的材料特性。”

微型示例

图 3. 用于密度和粘度测量的 MEMS 科里奥利芯片。左边是用钳子夹住的完整传感器。右侧是设备内部的芯片布局。 （图片：COMSOL）图 4. 振荡微通道的两种本征模。颜色表示通道不同区域的相对位移水平。 （图片来源：COMSOL）

TrueDyne Sensors AG 是 Endress+Hauser Flow 的子公司，基于类似的概念开发 MEMS 设备。他们设计和测试振荡传感器来测量多种不同用途的热物理流体特性。该团队为特定客户解决方案开发传感器，因此他们必须知道哪种类型的振荡器可为独特情况提供最佳灵敏度。

MEMS 科里奥利芯片（图 3）采用独立式振动微通道，其工作原理与较大的科里奥利流量传感器相同。与科里奥利模拟的情况一样，需要对微通道进行振动分析，以确定基本本征模式和流道不同端的振荡速率（图 4）。这种特殊的传感器用于评估流体的密度和粘度，例如惰性气体、液化石油气 (LPG)、碳氢燃料或冷却润滑剂。由于其尺寸，该传感器适合测量非常小的流体量。

图 5. 热结果显示 MEMS 科里奥利芯片的 2D（顶部）和 3D（底部）温度。 （图片：COMSOL） 图 6. Endress+Hauser 设计的无入口或出口管路 (0 x DN) 的 Promag W 400 电磁流量计。电极在管道内可见。聚氨酯衬里在管道和液体之间提供电绝缘。 （图片来源：COMSOL）

对于如此小的设备来说，一个具体的挑战是，如果出现电气故障，用于驱动激励的高电压可能会导致设备发热。考虑到这种安全风险，他们进行了热分析（图 5），以确定芯片中热量的散发位置以及流体是否会变得太热。经证实，由于流道周围的真空室最大限度地减少了电极和流体之间的热传递，因此温度没有超过极限。

优化电磁流量计

另一种流量计是电磁流量计，它利用洛伦兹力。洛伦兹力作用于穿过磁场的带电粒子（图 6）。对于这些流量计，颗粒是导电液体的离子，运动来自流经管道的液体，磁场由管道上方和下方的一组线圈提供。结果是管道上的电磁势，可以用一对电极进行测量。信号通常仅为每米/秒几百毫伏的量级；如果设计正确，测得的电势与流速成正比，且与电导率无关。

电磁流量计的仿真需要多物理场建模软件来计算线圈产生的磁场和管道中的流速分布，并将它们结合起来计算电势（图7）。电磁流量计的测量精度通常为百分之几，因此模拟必须极其准确。在 Endress+Hauser Flow，仿真专家 Simon Mariager 博士和 Simon Triebenbacher 博士使用此类仿真来消除电磁流量计的主要限制之一：对流量剖面的敏感性。

图 7.电磁设备的多物理场模型。线圈电流显示为红色箭头，流线显示流量计内部的磁场强度。彩色切片图显示流量计入口处的速度大小。这种不均匀的流动剖面是由上游 90 度弯头（未显示）产生的。中心的半切片显示 0 x DN 全通径传感器的更均匀的重量函数，表明设计独立于流量剖面和相关扰动。 （图片来源：COMSOL）

虽然传统的电磁流量计非常坚固，但流量剖面的变化（例如管道弯曲后发生的变化）确实会导致测量误差。为此，制造商建议这些流量计在传感器之前具有一定的进口直管长度（通常为公称直径尺寸的10倍）。然而，这种推荐的设计可能会使电磁流量计的安装成为一个具有挑战性的过程，因为它们可用于从几毫米到几米的管道尺寸。 Endress+Hauser Flow 最近的一个开发项目的目标是消除入口长度。这项工作要求优化流量计的重量函数。理论上，这要求权重函数的旋度在任何地方都为零，但这对于现实世界的几何形状在数学上是不可能的。

相反，使用额外的测量电极来提供必要的自由度。尽管如此，团队仍然需要确定需要多少个电极以及它们应该放置在哪里。他们对受到流量扰动（例如弯管和阀门）后的管道流量进行仿真，以预测电磁流量计在各种实际应用中的性能，并将其设计优化到新流量计几乎独立于流量剖面的程度。

服务公司和客户需求

对于 Endress+Hauser 仿真团队来说，COMSOL Multiphysics® 软件的功能有助于他们优化和开发流量测量设备的日常研发工作。多物理场分析为他们提供了洞察力，减少了测试和原型设计所花费的总体时间和精力，并使他们能够生产出最高质量的传感器。

Endress+Hauser Flow 先进传感器技术首席专家 Christof Huber 博士在看到自己的模型如何改变设备设计从而改善 Endress+Hauser 客户体验时感到深受启发。 “这些工具用于解决客户的问题；我们看到这些工具在现场发挥作用，我们在实践中创新；我们看到回报，以及我们这样做的原因，”Huber 说道。

本文由 Rachel Keatley 为 COMSOL（马萨诸塞州伯灵顿）撰写。如需了解更多信息，请访问此处。