簡介：Endress + Hauser的產(chǎn)品開發(fā)人員，通過優(yōu)化流體傳感器，提高了流體傳感器的靈敏度，該傳感器主要用于測量流體密度，粘度，質(zhì)量流，以及水，食品，制藥，石油和天然氣行業(yè)等行業(yè)應用中的溫度。

作者：VALERIO MARRA

?

啟動您的汽車，從水龍頭中倒上一杯水，或從一箱果汁中喝上一杯果汁，這些我們在生活中時常使用但經(jīng)常不被人們在意的液體，都已經(jīng)經(jīng)過了仔細的提取、處理和質(zhì)量評估。而在這些液體中所使用的前瞻性技術，通常我們是看不見的，但實際上都需要精確的測量和監(jiān)視。

處理藥品產(chǎn)品時，您如何判斷流體是否符合您追求的高品質(zhì)？如果您使用的是原油，那么您如何知道要開采多少呢？如果要運輸水，您如何知道流量和體積分布？諸如此類的問題都會影響工程師們的信心和自來水，制藥，食品以及石油和天然氣公司等企業(yè)的最終的盈利或虧損，最終的這些問題都由位于管道和其他設備內(nèi)部的流量計制造商所解決。在Endress + Hauser的工程師們孜孜不倦地努力下，適用于多種物質(zhì)并且采用的是不同的測量方法的精確傳感器得到了開發(fā)與維護。

?

科里奧利力的測量(CORIOLIS FORCES)

為了確定在管道中流動的流體的性質(zhì)，Endress + Hauser設計了一個可安裝在設備內(nèi)測量科里奧利力的影響的傳感器，該傳感器由一個或多個振蕩測量管所組成。

在設備注入任何液體之前，電子管會被激發(fā)。當靜止的流體充滿設備時，管將均勻振蕩。 一旦流體開始流經(jīng)振蕩管，流體便開始在其壁上施加力。 測量管的振蕩被看作是流體顆粒繞軸的旋轉(zhuǎn)。 由于流體粒子在移動的參考系中移動，因此它們會遇到慣性力，該慣性力垂直于其運動方向和旋轉(zhuǎn)軸：即科里奧利力。 由于振蕩管的入口和出口部分引起相反的旋轉(zhuǎn)運動，因此所產(chǎn)生的力以非對稱的方式使管偏轉(zhuǎn)，從而引起沿管的相移或時滯。

管的不同部分開始以時滯或相移振蕩，該時滯或相移是由管運動中的扭曲分量引起的。 管的該相移和新的振蕩頻率分別是管中質(zhì)量流率和流體密度的函數(shù)。因此，可以將來自儀表的信號解釋為待測量流體的質(zhì)量或體積，可以用來確保要輸送的流體的所需量。

同樣，流體粘度的增加將導致振蕩阻尼的增加。振蕩頻率主要是測量流體密度的直接相關物理量。阻尼越大，振蕩越快，例如，像油一類的流體（較低的密度和較高的粘度）比像水一類的流體（較高的密度和較低的粘度）。通過測量振蕩頻率和振蕩阻尼可以確定液體的密度和粘度，并監(jiān)控與流體流動相關的工程質(zhì)量。相同的物理效果將適用于在運動流體中振蕩的物體（例如懸臂）。

?

粘聲學的示例

Vivek Kumar是Endress + Hauser的子公司“Endress + Hauser Flowtec AG”的數(shù)值模擬高級專家，他們生產(chǎn)的流量計（圖1），致力于改善傳感器的性能。他的建模工作幫助他的團隊深入了解了流量計中的聲學，結(jié)構(gòu)和流體流動影響。了解了流體-結(jié)構(gòu)的相互作用和振動聲學是如何影響傳感器的性能之后。他們進行了各種設計調(diào)整，改善了儀表的性能和質(zhì)量。

圖1：流量計：

該團隊從粘聲模型開始了數(shù)值分析，以了解當粘性流體流經(jīng)振蕩管時發(fā)生的復雜粘性阻尼。 他們研究了結(jié)構(gòu)變形和聲波傳播的耦合行為，在頻域中對流固耦合進行了建模，以便預測流量計將如何響應不同的流體。 圖2顯示了湍流產(chǎn)生的聲波如何在周圍的儀表中傳播。 該團隊評論道：“借助COMSOL Multiphysics，我們嘗試去估算由流動引起的噪聲對周圍環(huán)境和流量計的影響。”

圖2：模擬顯示了振蕩管內(nèi)部和周圍的聲場（左圖和中間圖）以及以dB為單位的聲壓級圖（右部）。

他們分析了流體粘度對管子振蕩頻率的影響。圖3顯示了他們模擬分析的結(jié)果，預測了不同粘度流體的頻率以及管的位移。由于具有模擬和更好地理解導致儀表頻率輸出發(fā)生偏移的物理影響因素的能力，該團隊能夠通過過濾掉不利的因素來提高儀表的性能。在這種情況下，可以利用管阻尼的變化來補償粘度對測得的密度誤差的影響。

圖3：仿真結(jié)果顯示了不同流體粘度下的管振蕩頻率的變化以及由此產(chǎn)生的機械位移。 右邊是由于振蕩運動引起的管變形的視覺示例。

他們評論說：“通過仿真，我們能夠分析不同的情況，并最終優(yōu)化我們的設備設計，以幫助我們的客戶表征其使用或提取的流體的材料特性。”

?

微觀示例

Endress + Hauser Flowtec AG的子公司TrueDyne Sensors AG基于類似的概念開發(fā)MEMS器件。 他們設計和測試振蕩傳感器，以測量許多不同應用的熱物理流體特性。該團隊為特定的客戶解決方案開發(fā)傳感器。因此，最重要的是他們知道在不同的獨特情況下哪種類型的振蕩器能夠提供最佳的靈敏度。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

圖4：MEMS Coriolis芯片用于密度和粘度測量。 左：由鉗子夾持的完整傳感器。 右圖：設備內(nèi)部的芯片布局。

MEMS Coriolis芯片（圖4）采用獨立的振動微通道，其工作原理與較大的Coriolis流量傳感器相同。 與Coriolis仿真一樣，需要在微通道上進行振動分析，以確定基本本征模和流道兩端的振蕩速率（圖5）。 該特定傳感器用于評估諸如惰性氣體，液態(tài)石油氣（LPG），烴類燃料或冷卻潤滑劑之類的流體的密度和粘度。 由于尺寸較小，該傳感器適合于測量非常小的流體量

? ? ? ??

圖5：振蕩微通道的兩種本征模式。 顏色表示通道不同區(qū)域的相對位移水平。

?在這樣的小型設備面臨的一個具體挑戰(zhàn)是溫度的升高，在電氣故障的情況下，可能會由于施加到傳感器上的高電壓驅(qū)動激勵而發(fā)生溫度升高。考慮到這種安全風險，他們進行了熱分析（圖6），以確定芯片中的熱量散發(fā)位置以及流體是否會變得過熱。可以肯定的是，由于流道周圍的真空室使電極和流體之間的熱傳遞最小化，溫度沒有超過極限。

圖6：熱結(jié)果中顯示的MEMS Coriolis芯片中的溫度。

服務公司與客戶需求：

兩支團隊都表示COMSOL Multiphysics?的靈活性在他們的研發(fā)工作中起到了非常重要的作用，可以輕松地使流量計保持在最佳性能以適應各種需求。多物理場分析為他們提供了足夠的洞察力，從而減少了在測試和原型上花費的總體時間和精力，使他們能夠生產(chǎn)最高質(zhì)量的傳感器。

當克里斯托夫·胡伯（Christof Huber）看到自己的建模方法為設備的設計更改提供了許多指導建議，并提高了Endress + Hauser客戶的體驗時，他的工作受到了啟發(fā)。“這些工具用于解決客戶的問題。我們在實地工作時看到了我們在實踐中的創(chuàng)新。客戶的回報是我們這樣做的動力。”

圖7：E + H Flowtec AG是Endress + Hauser集團的公司，總部位于瑞士Reinach。 Truedyne Sensor AG是Endress + Hauser Flowtec AG的子公司。