我們生活中使用的汽油、飲用水，或是飲用果汁，這些常見的液體其實都是經(jīng)過了層層提取、處理和質(zhì)量評估后才進入了我們的日常生活。消費者賴以生存的種種液體背后都伴隨著許多深思熟慮和不為人知的先進技術(shù)，而這些技術(shù)都離不開精確的測量和監(jiān)控。

在加工藥品時，我們?nèi)绾闻袛嗔黧w是否符合高質(zhì)量要求？加工原油時，如何確定原油提取量？在水的輸送過程中，又如何確定流量和體積分布？

這些問題與水、制藥、食品和石油天然氣公司的利益息息相關(guān)。制造商為了能夠自信地回答這些問題，提出了有效的解決方法：使用安裝在管道或其他設(shè)備內(nèi)部的流量計。在瑞士恩德斯豪斯（Endress+Hauser）公司，工程師們正在努力地推進各類流量傳感器的開發(fā)和維護工作，不斷提高傳感器的精度，并針對不同物質(zhì)使用不同的測量方法。

基于科里奧利力的測量

為了確定管道內(nèi)流體的特性，E+H 公司設(shè)計了一款由一根或多根振動測量管組成的傳感器，通過測量管道內(nèi)部裝置中的科里奧利力，實現(xiàn)流量的精確測量。在流體流入裝置之前，測量管已經(jīng)處于激活狀態(tài)。當(dāng)裝置充滿靜止的液體后，測量管開始勻速振動。當(dāng)液體流經(jīng)振動管時，會對管壁施加作用力，測量管的振動可以看作是流體粒子繞軸進行旋轉(zhuǎn)。由于流體粒子在運動參考坐標(biāo)系中流動，因此會受到一個垂直于其運動方向和旋轉(zhuǎn)軸的慣性力，即科里奧利力。與此同時，由于振動管的入口段和出口段的流體會產(chǎn)生反相的旋轉(zhuǎn)運動，由此產(chǎn)生的力會以不對稱的方式使管發(fā)生偏移，導(dǎo)致沿管的振動會產(chǎn)生相位差或時間差。

管道運動的扭曲分量引起測量管的各個管段以一定的時間差或相位差開始振動。相位差和新的管振動頻率分別為管內(nèi)質(zhì)量流率和流體密度的函數(shù)。因此通過解釋流量計輸出的信號，就能測得質(zhì)量流量或體積流量，從而保證輸送的流體量符合預(yù)期。

除此之外，流體粘度增大會導(dǎo)致振動阻尼增加，通過振動頻率就可以直接測得流體密度。舉例來說，與水這樣的高密度、低粘度流體相比，油類等低密度、高粘度物質(zhì)的振動更快，但阻尼更大。由此可見，通過測量振動頻率和阻尼，就能確定流體的密度和粘度，從而對流體流動過程的質(zhì)量進行監(jiān)測控制。這些物理效應(yīng)也同樣適用于懸臂等在流體中振動的物體。

粘性聲學(xué)分析案例

恩德斯豪斯（Endress+Hauser）集團是全球領(lǐng)先的流量計（圖 1）制造商， Vivek Kumar 是其瑞士總部的資深數(shù)值仿真專業(yè)人員，致力于提高傳感器的性能。他的建模工作幫助整個團隊加深了對流量計中的聲學(xué)、力學(xué)和流體流動等各種物理效應(yīng)的理解。在深入了解流-固耦合及振動聲學(xué)對傳感器性能的影響后，團隊通過調(diào)整各種設(shè)計參數(shù)，確定了最佳設(shè)計方案，使流量計的性能和質(zhì)量得到大幅提升。

圖 1. E+H 公司設(shè)計的科里奧利流量計。

團隊從粘性聲學(xué)模型著手進行數(shù)值分析，目的是了解粘性流體通過振動管時產(chǎn)生的粘滯阻尼。他們在頻域內(nèi)模擬了流-固耦合，研究結(jié)構(gòu)變形和聲波傳播的耦合特性，以期預(yù)測流量計對不同流體的響應(yīng)。圖 2 顯示了湍流產(chǎn)生的聲波在流量計中的傳播情況。“我們嘗試使用 COMSOL Multiphysics 來評估由流體引起的噪聲對周圍環(huán)境和流量計的影響。”團隊解釋說。

圖 2. 仿真結(jié)果顯示振動管內(nèi)部（上）和周圍（中）的聲場分布，以及以dB為單位的聲壓級圖（下）。

工程師分析了流體的粘性對測量管振動頻率的影響。圖 3 顯示的仿真結(jié)果可以用于預(yù)測不同粘性的流體通過管道時，管道的振動頻率和位移。借助仿真軟件模擬引起流量計頻率輸出偏移的物理效應(yīng)后，團隊有了更深入的認識，他們能夠合理利用這些效應(yīng)來改進流量計的性能（包括消除其中的不良效應(yīng)）。在本例中，測量管的阻尼變化被用于補償因粘性造成的密度測量誤差。

圖 3. 仿真結(jié)果顯示了不同流體粘度下測量管振動頻率的變化情況及其對應(yīng)的機械位移。下圖的結(jié)果圖顯示振動引起的管變形。

“我們需要清楚地了解不同流體對傳感器性能產(chǎn)生的影響。”他們評價道，“我們依靠仿真技術(shù)詳細分析了各種流體工況，最終順利完成了設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化，能夠幫助客戶準確表征他們正在使用或提取的流體的材料屬性。”

微系統(tǒng)分析案例

恩德斯豪斯集團的子公司TrueDyne SensorsAG在開發(fā)MEMS器件產(chǎn)品時也是基于類似的理念。研發(fā)設(shè)計并測試各種振動傳感器，用于在許多不同的應(yīng)用領(lǐng)域測量流體的熱物理性質(zhì)。該團隊根據(jù)客戶具體需求，為客戶提供定制的傳感器解決方案。因此，明確哪一種類型的振蕩器能夠在特定工況下表現(xiàn)出最佳的靈敏度便是重中之重。

MEMS 科里奧利芯片（圖 4）采用獨立的振動微通道，其工作原理與體積較大的科里奧利流量傳感器相同。與前文的科里奧利流量計仿真相似，通過微通道執(zhí)行振動分析，確定流道兩端的基本特征模態(tài)和振動速率（圖 5）。這種特殊傳感器的作用是計算惰性氣體、液化石油氣、碳氫燃料或冷卻潤滑劑等流體的密度和粘度。由于其體積小巧，非常適用于測量極少量的流體。

圖 4. 用于測量密度和粘度的 MEMS 科里奧利芯片。上：用鑷子夾住的完整傳感器。下：器件內(nèi)部的芯片版圖。

圖 5. 振動微通道的兩個特征模態(tài)，不同顏色表示通道各個區(qū)域的相對位移水平。

然而，這種小型設(shè)備面臨的一個難題是：一旦發(fā)生電氣故障，施加在傳感器上的用于驅(qū)動激勵的高壓可能導(dǎo)致器件的溫度升高。為了消除潛在風(fēng)險，團隊對器件進行了熱分析（圖 6）來確定芯片的發(fā)熱位置，并判斷流體是否會因為器件的溫度升高而過熱。結(jié)果表明，流道周圍的真空室可以最大限度地降低電極和流體之間的傳熱，從而確保溫度不會超過限值。

圖 6. 熱分析結(jié)果顯示 MEMS 科里奧利芯片內(nèi)部的溫度分布。

滿足企業(yè)和客戶的需求

兩支團隊一致認為COMSOL多物理場仿真軟件強大的靈活性在研發(fā)工作中起到了至關(guān)重要的作用。團隊成員可以在軟件中調(diào)整流量計的各類參數(shù)以提升產(chǎn)品性能，全面滿足客戶需求。借助多物理場分析，他們能夠了解各種現(xiàn)象背后的原理，減少了測試和制作樣機所需的時間和精力，為專注生產(chǎn)高質(zhì)量的傳感器鋪平了道路。

恩德斯豪斯的Christof Huber 博士看到自己的建模成果對設(shè)備的設(shè)計優(yōu)化起到了積極的促進作用，并因此改善了客戶體驗時，他深受鼓舞：“這些工具的作用是為客戶解決問題。我們在現(xiàn)場看到自己的創(chuàng)新成果轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實，這種成就感是我們前行的動力。”