Page 71 - 《真空与低温》2025年第5期

610 真空与低温 第 31 卷 第 5 期

比之下，LNG 作为流体工质时，不同排布方式下测 380 空管
水
量管的固有频率与空管道的差异较小，导致的频率 340
液化天然气
降幅比水介质工况大约减小 70%～80%。测量管 300
中流体的质量占比、测量管的刚度以及温度对测 260
量管物理特性的影响，是导致上述现象的关键因素。 固有频率/Hz 220
表 4 列出了不同工质的质量与占比，从表中数据可
180
知，测量管中流体的质量占比普遍低于 20%，而
140
LNG 工质的质量占比（6.18%～10.07%）较水工质
100
（12.78%～19.95%）降低约 50%，其低密度特性使附 单直管 双直管 四直管 六直管
加质量效应减弱。同时由于 LNG 的低温对测量管 管型
物理特性的显著影响，测量管的刚度提高，从而削
图 7 不同工质下测量管一阶固有频率随排布方式的变化
弱流体对其固有频率的影响。因此科氏质量流量
Fig. 7 The change of first order natural frequency of measur-
计测量管在采用水作为工质时较使用 LNG 作为工
质时具有更大的固有频率差距，这就是低温工况下 ing tube with arrangement method under different
科氏质量流量计测量误差较大的原因。 working medium

表 4 不同工质的质量与占比
Tab. 4 Mass and proportion of different working medium
测量管质量/kg 质量占比/%
排布方式 水的质量/kg LNG 质量/kg
293.15 K 111.15 K 水 LNG
单直管 714.76 721.94 178.10 80.86 19.95 10.07
双直管 321.49 324.72 47.10 21.38 12.78 6.18
四直管 373.87 377.62 60.29 27.37 13.89 6.76
六直管 383.84 387.70 62.80 28.51 14.06 6.85

进一步分析对比不同管型之间固有频率的差 与液化天然气作为流体工质，测量管长度分别选择
值，发现单直管型结构的固有频率大，相位差小，检 1 000 mm、1 200 mm、1 400 mm、1 600 mm、1 800 mm、
测比较困难，进而影响测量精度。同时，对驱动结 2000 mm 六种管长。图 8 和图 9 分别展示了不同
构提出了更高的要求，激振能耗提升。六直管型结 工质下双直管与四直管型测量管一阶固有频率随
构的固有频率较小，易受环境噪声与振动影响，且
长度的变化。从图中可知，对于双直管和四直管型
结构复杂，对激振器和检振器的安装更为苛刻，内
测量管，随着管长的增加，干湿模态的一阶固有频
部流动更为复杂。双直管型和四直管型固有频率
率均呈现下降趋势。双直管型测量管在空管状态
适中，可克服前者的不足。双直管与四直管型测量
下随管长从 1 000 mm 增至 2 000 mm 时，一阶固有
管的一阶固有频率在单直管与六直管间取得平衡，
频 率从 508.56 Hz 降 至 155.88 Hz， 降 幅 达 69.3%。
既避免了高频率导致的测量精度下降，又抑制了低
这是因为直管型测量管的横臂梁特性，其主要形变
频率引发的环境噪声敏感性问题。后续研究将重
方式为弯曲形变，固有频率即为弯曲频率。因此，
点聚焦于双直管与四直管型测量管，以在保持较高
固有频率的同时，优化振幅与相位差检测，实现测 随着管长的增加，测量管刚度减小，导致固有频率
量精度的显著提升，有效滤除环境噪声对测量结果 降低。
产生的潜在干扰。 除了管长外，测量管的壁厚也是固有频率的影
2.2 测量管结构参数影响 响因素。在确保容器结构安全性的必要厚度约束
科氏质量流量计的动态性能在很大程度上取 下，保持测量管内径不变，通过改变外径从而间接
决于其测量管的结构尺寸。为了深入探究测量管 调整壁厚，以研究壁厚与固有频率的内在联系。在
长度对科氏质量流量计固有频率的影响，针对双直 此选择管长为 2 000 mm，双直管型的壁厚为 15 mm、
管与四直管型测量管进行干湿模态分析。选用水 15.5 mm、16 mm、16.5 mm、17 mm、17.5 mm，四直管