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(yīng)用中的溫度。

作者：VALERIO MARRA

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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(shí)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(xì)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(shù)，通常我們是看不見的，但實(shí)際上都需要精確的測量和監(jiān)視。

處理藥品產(chǎn)品時(shí)，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(yùn)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(shè)備內(nèi)部的流量計(jì)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(hù)。

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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(shè)計(jì)了一個(gè)可安裝在設(shè)備內(nèi)測量科里奧利力的影響的傳感器，該傳感器由一個(gè)或多個(gè)振蕩測量管所組成。

在設(shè)備注入任何液體之前，電子管會被激發(fā)。當(dāng)靜止的流體充滿設(shè)備時(shí)，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(yùn)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(yùn)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(shí)滯。

管的不同部分開始以時(shí)滯或相移振蕩，該時(shí)滯或相移是由管運(yùn)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(dǎo)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(guān)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(guān)的工程質(zhì)量。相同的物理效果將適用于在運(yùn)動流體中振蕩的物體（例如懸臂）。

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粘聲學(xué)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(jì)（圖1），致力于改善傳感器的性能。他的建模工作幫助他的團(tuán)隊(duì)深入了解了流量計(jì)中的聲學(xué)，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(xué)是如何影響傳感器的性能之后。他們進(jìn)行了各種設(shè)計(jì)調(diào)整，改善了儀表的性能和質(zhì)量。

圖1：流量計(jì)：

該團(tuán)隊(duì)從粘聲模型開始了數(shù)值分析，以了解當(dāng)粘性流體流經(jīng)振蕩管時(shí)發(fā)生的復(fù)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(jìn)行了建模，以便預(yù)測流量計(jì)將如何響應(yīng)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(tuán)隊(duì)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(jì)的影響?！?/span>

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(yù)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(dǎo)致儀表頻率輸出發(fā)生偏移的物理影響因素的能力，該團(tuán)隊(duì)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(bǔ)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(jī)械位移。 右邊是由于振蕩運(yùn)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(shè)備設(shè)計(jì)，以幫助我們的客戶表征其使用或提取的流體的材料特性?！?/span>

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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(shè)計(jì)和測試振蕩傳感器，以測量許多不同應(yīng)用的熱物理流體特性。該團(tuán)隊(duì)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(dú)特情況下哪種類型的振蕩器能夠提供最佳的靈敏度。

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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(shè)備內(nèi)部的芯片布局。

MEMS Coriolis芯片（圖4）采用獨(dú)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(jìn)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

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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(shè)備面臨的一個(gè)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?？紤]到這種安全風(fēng)險(xiǎn)，他們進(jìn)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?？梢钥隙ǖ氖?，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(wù)公司與客戶需求：

兩支團(tuán)隊(duì)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(jì)保持在最佳性能以適應(yīng)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(fèi)的總體時(shí)間和精力，使他們能夠生產(chǎn)最高質(zhì)量的傳感器。

當(dāng)克里斯托夫·胡伯（Christof Huber）看到自己的建模方法為設(shè)備的設(shè)計(jì)更改提供了許多指導(dǎo)建議，并提高了Endress + Hauser客戶的體驗(yàn)時(shí)，他的工作受到了啟發(fā)?！斑@些工具用于解決客戶的問題。我們在實(shí)地工作時(shí)看到了我們在實(shí)踐中的創(chuàng)新?？蛻舻幕貓?bào)是我們這樣做的動力。”

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