http://www.Sina.com/endress Hauser的产品开发者通过优化主要用于流体密度、粘度、质量流、水、食品、制药、石油、天然气行业等行业APP应用中的温度测量的流体传感器
简介：VALERIO MARRA
作者：广州虹科电子科技有限公司传感器事业部
启动你的车，从水龙头里倒水，从果汁盒里喝果汁。 我们在生活中常用但不太在意的液体，经过仔细的提取、处理和质量评价。 这些液体所用的前瞻性技术通常我们看不见，但实际上需要准确的测量和监测。
在处理药品产品时，如何判断是否符合流体所要求的高质量？ 如果使用原油，你怎么知道要开采多久？ 运输水时，你怎么知道流量和体积的分布？ 这些问题会影响工程师们的信心和自来水、制药、食品、石油和天然气公司等企业的最终利润和损失，最终由管道和其他设备内部的流量计制造商解决。 在Endress Hauser工程师们的辛勤努力下，研制并维护了适用于多种物质、采用不同测量方法的精确传感器。
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为了确定在管道中流动的流体的性质，Endress Hauser设计了一个传感器，该传感器可以安装在由一个或多个振动测量管构成的装置内，用于测量mldyb奥利力的影响。
在器件注入液体之前，电子管被激励。 当静止的流体充满装置时，管路会均匀振动。 流体开始在振动管中流动时，流体开始对其壁施力。 测量管的振动被认为是绕流体粒子的轴的旋转。 流体粒子在移动的参照系中移动，因此会遇到与移动方向和旋转轴垂直的惯性力，即mldyb奥利力。 振荡管的入口和出口部分引起相反的旋转运动，产生的力不对称地偏转管，引起沿管的相移和时滞。
管路的不同部分开始因管路运动中的扭转分量引起的偏斜或相移而振动。 管道的这一相移和新的振动频率分别是管道中质量流量和流体密度的函数。 因此，来自仪表的信号可以解释为要测量的流体的质量或体积，可以用于确保输送的流体的需要量。
同样，流体粘度的增加会导致振动衰减的增加。 振荡频率主要是测量流体密度的直接相关物理量。 阻尼越大，振动越快。 例如，类似油的流体(密度低、粘度高)比类似水的流体(密度高、粘度低)快。 通过测量振动频率和振动衰减，可以确定液体的密度和粘度，并监测与流体流动相关的工程质量。 相同的物理效果也适用于在运动流体中振动的物体，如悬臂。
译者：
Vivek Kumar是Endress Hauser子公司“Endress Hauser Flowtec AG”的数值模拟高级专家，制造致力于改善传感器性能的流量计(图1 )。 他的建模工作帮助他的团队深入了解流量计中声音、结构和流体流动的影响。 在了解流体-结构的相互作用和振动声学如何影响传感器的性能之后。 他们进行了各种设计调整，改善了仪表的性能和质量。
图1 :流量计
该团队从粘音模型开始进行数值分析，了解粘性流体流过振动管时产生的复杂粘性衰减。 他们研究了结构变形与声波传播的耦合行为，在频域建立了流固耦合模型，预测了流量计如何响应不同的流体。 图2显示了湍流产生的声波如何在周围的仪器中传播。 该小组评论说：“我们试图利用COMSOL Multiphysics估算流动引起的噪声对周围环境和流量计的影响。”
图2 )模拟显示振动管内部和周围声场(左图和中央图)和dB单位声压级图)右部)。
他们分析了流体粘度对管道振动频率的影响。 图3给出了他们模拟分析的结果，预测了不同粘度流体的频率和管路位移。 由于该团队有能力模拟和更好地理解导致仪表频率输出偏移的物理影响因素，因此该团队能够通过滤波
掉不利的因素来提高仪表的性能。在这种情况下，可以利用管阻尼的变化来补偿粘度对测得的密度误差的影响。图3：仿真结果显示了不同流体粘度下的管振荡频率的变化以及由此产生的机械位移。 右边是由于振荡运动引起的管变形的视觉示例。
他们评论说：“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其使用或提取的流体的材料特性。”
微观示例
Endress + Hauser Flowtec AG的子公司TrueDyne Sensors AG基于类似的概念开发MEMS器件。 他们设计和测试振荡传感器，以测量许多不同应用的热物理流体特性。该团队为特定的客户解决方案开发传感器。因此，最重要的是他们知道在不同的独特情况下哪种类型的振荡器能够提供最佳的灵敏度。
图4：MEMS Coriolis芯片用于密度和粘度测量。 左：由钳子夹持的完整传感器。 右图：设备内部的芯片布局。
MEMS Coriolis芯片（图4）采用独立的振动微通道，其工作原理与较大的Coriolis流量传感器相同。 与Coriolis仿真一样，需要在微通道上进行振动分析，以确定基本本征模和流道两端的振荡速率（图5）。 该特定传感器用于评估诸如惰性气体，液态石油气（LPG），烃类燃料或冷却润滑剂之类的流体的密度和粘度。 由于尺寸较小，该传感器适合于测量非常小的流体量。
图5：振荡微通道的两种本征模式。 颜色表示通道不同区域的相对位移水平。
在这样的小型设备面临的一个具体挑战是温度的升高，在电气故障的情况下，可能会由于施加到传感器上的高电压驱动激励而发生温度升高。考虑到这种安全风险，他们进行了热分析（图6），以确定芯片中的热量散发位置以及流体是否会变得过热。可以肯定的是，由于流道周围的真空室使电极和流体之间的热传递最小化，温度没有超过极限。
图6：热结果中显示的MEMS Coriolis芯片中的温度。
服务公司与客户需求：
两支团队都表示COMSOL Multiphysics®的灵活性在他们的研发工作中起到了非常重要的作用，可以轻松地使流量计保持在最佳性能以适应各种需求。多物理场分析为他们提供了足够的洞察力，从而减少了在测试和原型上花费的总体时间和精力，使他们能够生产最高质量的传感器。
当大方的啤酒（Christof Huber）看到自己的建模方法为设备的设计更改提供了许多指导建议，并提高了Endress + Hauser客户的体验时，他的工作受到了启发。“这些工具用于解决客户的问题。我们在实地工作时看到了我们在实践中的创新。客户的回报是我们这样做的动力。”
图7：E + H Flowtec AG是Endress + Hauser集团的公司，总部位于瑞士Reinach。 Truedyne Sensor AG是Endress + Hauser Flowtec AG的子公司。从左到右依次为：Anastasios Badarlis, Dr. Vivek Kumar, Dr. Christof Huber, Benjamin Schwenter, and Patrick Reith.