臺灣博碩士論文加值系統

本研究的目的在分析、設計，並製作出一以PVC為材料之直管、U管及W管型科氏質量流率計之實驗平台。論文中首先討論科氏質量流率計的基本架構及設計原理；接著使用有限元素分析法進行三種管型的模態分析及最大變形位移量分析，此三種管型包括直管、U管及W管，材料皆為聚氯乙烯。實驗前，先探討所使用的感測器之磁場效應與刺激源間的關係，找出各種管型在單一刺激力與不同流量的作用下，所測得之相位差與流率間具有線性的關係。而刺激源是利用訊號產生器來提供所需之激震頻率，透過管路振動與不同流體流率產生的科氏力的作動下使各管型質量流率計的上下游產生不同的相變化。經由架設在各管型上、下游處的霍爾感測器量取訊號，所得訊號經過Matlab-xPC設備接收後且進行濾波處理，即可進行科氏質量流率之量測與訊號分析。本研究所使用之材料費用較便宜，相對於使用鋼鐵材料，成本可節省約一半以上，但其材料性質擁有著流體阻力小以及搬運卸載和組裝簡易等優點，如果可獲得相同之準確度，將可對科氏力質量流率計有較大幫助。實驗結果可得直管誤差率約為2.8%，U管誤差率約為4.4%，W管誤差率約為3.65%。

The purposes of this research are analyzing, designing, and building a prototypical of three tubes Coriolis mass flowmeter. First, we broached the structure and the theory of Coriolis mass flowmeter in the thesis, and employ the finite element analysis method to carry out three tubes model analysis and static analysis of maximum deformed displacement, this three kinds of tube include Straight-tube, U-tube and W tube, the material is PolyVinyl Chlorde. After analyzing and designing, we building three kinds of tube Coriolis mass flowmeter. The relation between Hall sensor’s magnetic filed effect and stimulating sources is being correct discussion, and find out each tube under the single one stimulating force the different flow rate, to get phase difference with different flow rate to be linear. Stimulating sources is used Signal Generator equipment to produce the excitation frequency, and the drive coil and magent will be magnetize to produce the excitation frequency. To measurement the signal by Hall sensor that is mounted at upstream and downstream flow of the tube, then we use Matlab-xPC Hardware to filter single processing, we can measure the mass flow rate and signal analysis immediately. In this research, expense of material is cheaper, is opposite to use the steel and iron material, the cost may be expensive than PVC material, but the material character have fluid drag small, carry it and fabricate easily, if may obtain the same accuracy, might have a bigger help to the Coriolis mass flowmeter. After we can find the error of the Straight-Tube is 2.8%, error of the U-Tube is 4.4%, error of the W-tube is 3.65%.

目錄
摘 要 I
Abstract II
謝誌 IV
目錄 V
表目錄 VII
圖目錄 VIII

第1章 緒論 1
1.1 研究背景與目的 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 論文結構 6

第2章 科氏質量流量計之設計原理 8
2.1前言 8
2.2科式力質量流率計之原理 8
2.3質量流率計之硬體架構 11
2.3.1 流體管路 11
2.3.2 電磁激振器 11
2.3.3 電磁感應原理 12
2.3.4 共振原理 13
2.3.5 感測器 15
2.3.6 感測器校正 15
2.4 訊號處理 17
2.5 管路材料PVC 17
2.5.1 PVC簡介 17
2.5.2 PVC構造 17
2.5.3 PVC特性 18

第3章 直、U及W管之設計與分析 20
3.1 前言 20
3.2 ANSYS有限元素分析 20
3.2.1 問題描述 20
3.2.2 問題定義及分析目標 22
3.2.3 建構有限元素模型 22
3.3 快速傅利葉轉換 32


第4章 管路模態分析實驗 35
4.1 前言 35
4.2 自然頻率之實驗模態分析 35

第5章 質量流率之量測實驗 41
5.1前言 41
5.2實驗設備 41
5.3訊號產生器 44
5.3.1函數信號產生器 44
5.3.2操作說明 45
5.4 感測訊號接收與濾波 46
5.4.1 PCI-6024E A/D方塊圖 46
5.4.2相位延遲方塊圖 47
5.4.3濾波器轉移函數方塊圖 47
5.4.4 Socpe(xPC)方塊圖 48
5.4.5 Out方塊圖 49
5.5 質量流率量測實驗 49
5.5.1實驗步驟 49

第6章 結果與討論 51
6.1 三種管型科氏質量流率計之實驗結果討論 51
6.2 質量流率與相位差之關係圖 53
6.3 質量流率與相位差關係平均圖 56
6.4 實驗相位差與回歸相位差比較圖 57
6.5 激振頻率對實驗平台之影響 58
6.6 實驗平台穩定性之探討 59

第7章 未來展望 60

參考文獻 62

作者簡介 64


表目錄
表2-1 感測器輸出電壓與間距關係表 16
表3-1 三種管型空管時各模態自然頻率 25
表3-2 三種管型滿水時各模態自然頻率 26
表3-3 直管型之自然頻率及振幅 33
表3-4 U管型之自然頻率及振幅 34
表3-5 W管型之自然頻率及振幅 34
表4-1 實驗儀器名稱/規格表 37
表4-2 科氏質量流率計名稱/規格表 37
表4-3 直管自然頻率 38
表4-4 U管自然頻率 39
表4-5 W管自然頻率 40
表6-1 直管質量流率與相位差關係表 51
表6-2 U管質量流率與相位差關係表 52
表6-3 W管質量流率與相位差關係表 52
表6-4 準確性實驗結果 58



圖目錄
圖2-1 三維座標中質點P運動圖 9
圖2-2 刺激線圈 12
圖2-3 功率放大器(8W) 12
圖2-4 線圈電磁場 13
圖2-5 右手定則 13
圖2-6 線圈和磁鐵間吸斥作用 13
圖2-7 放大因數與 的函數關係 14
圖2-8 霍爾IC 15
圖2-9 感測器零敏度關係圖 16
圖2-10 感測器零敏度關係圖(間距0~2mm) 16
圖2-11 訊號處理流程圖 17
圖2-12 聚氯乙烯分子構造圖 18
圖2-13 PVC與PS之應力-應變曲線 18
圖3-1 直型管示意圖 21
圖3-2 U型管示意圖 21
圖3-3 W型管示意圖 22
圖3-4 直管型切割示意圖 24
圖3-5 U管型切割示意圖 24
圖3-6 W管型切割示意圖 25
圖3-7 直管型第一模態位移變化圖 27
圖3-8 U管型第一模態位移變化圖 27
圖3-9 U管型第二模態位移變化圖 28
圖3-10 U管型第三模態位移變化圖 28
圖3-11 U管型第四模態位移變化圖 29
圖3-12 U管型第五模態位移變化圖 29
圖3-13 W管型第一模態位移變化圖 30
圖3-14 W管型第二模態位移變化圖 30
圖3-15 W管型第三模態位移變化圖 31
圖3-16 W管型第四模態位移變化圖 31
圖3-17 W管型第五模態位移變化圖 32
圖4-1 實驗架構流程圖 36
圖4-2 直管自然頻率圖 38
圖4-3 U管自然頻率圖 39
圖4-4 W管自然頻率圖 40
圖5-1 硬體實驗平台 41
圖5-2 電磁式流量計 42
圖5-3 信號產生器 42
圖5-4 GDS-820C示波器 42
圖5-5 GMUS-03傳輸線 42
圖5-6 電磁驅動器 43
圖5-7 直管實驗設備 43
圖5-8 U管實驗設備 43
圖5-9 W管實驗設備 43
圖5-10 訊號產生器前面板圖 45
圖5-11 感測訊號接收圖 46
圖5-12 PCI-6024E A/D方塊設定 46
圖5-13 相位延遲方塊設定 47
圖5-14 濾波器轉移函數方塊設定圖 47
圖5-15 Socpe(Xpc)方塊設定圖 48
圖5-16 Out方塊設定圖 49
圖6-1 直管半倍頻第一次量測質量流率與相位差關係圖 53
圖6-2 直管半倍頻第二次量測質量流率與相位差關係圖 53
圖6-3 直管半倍頻第三次量測質量流率與相位差關係圖 53
圖6-4 直管一倍頻第一次量測質量流率與相位差關係圖 53
圖6-5 直管一倍頻第二次量測質量流率與相位差關係圖 53
圖6-6 直管一倍頻第三次量測質量流率與相位差關係圖 53
圖6-7 U型一倍頻第一次量測質量流率與相位差關係圖 54
圖6-8 U型一倍頻第二次量測質量流率與相位差關係圖 54
圖6-9 U型一倍頻第三次量測質量流率與相位差關係圖 54
圖6-10 U型二倍頻第一次量測質量流率與相位差關係圖 54
圖6-11 U型二倍頻第二次量測質量流率與相位差關係圖 54
圖6-12 U型二倍頻第三次量測質量流率與相位差關係圖 54
圖6-13 W型一倍頻第一次量測質量流率與相位差關係圖 55
圖6-14 W型一倍頻第二次量測質量流率與相位差關係圖 55
圖6-15 W型一倍頻第三次量測質量流率與相位差關係圖 55
圖6-16 W型二倍頻第一次量測質量流率與相位差關係圖 55
圖6-17 W型二倍頻第二次量測質量流率與相位差關係圖 55
圖6-18 W型二倍頻第三次量測質量流率與相位差關係圖 55
圖6-19 直管半倍頻質量流率與相位差關係平均圖(205Hz) 56
圖6-20 直管一倍頻質量流率與相位差關係平均圖(410Hz) 56
圖6-21 U管一倍頻質量流率與相位差關係平均圖(52Hz) 56
圖6-22 U管二倍頻質量流率與相位差關係平均圖(104Hz) 56
圖6-23 W管一倍頻質量流率與相位差關係平均圖(25Hz) 56
圖6-24 W管二倍頻質量流率與相位差關係平均圖(50Hz) 56
圖6-25 直管半倍頻實驗相位差 57
圖6-26 直管一倍頻實驗相位差 57
圖6-27 U管一倍頻實驗相位差 57
圖6-28 U管二倍頻實驗相位差 57
圖6-29 W管一倍頻實驗相位差 57
圖6-30 W管二倍頻實驗相位差 57

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