コックス質量流量計は振動管のコリオリ力によるねじれを検出することによって流量を測定し、その核心原理はコリオリ効果とニュートンの第2法則の結合に基づいて、具体的な過程は以下の通りである:
1.振動管の励起と初期状態
流量計のセンサはU型、S型などの振動管構造を採用し、電磁駆動コイルにより高周波振動(周波数約80 Hz、振幅1 mm未満)を駆動する。
流体の流れがない場合、振動管は主振動(上述の下垂直振動)としてのみ機能し、両側の電磁信号検出器に記録された振動信号は同位相である。
2.流体流動によるコリオリ力
流体が振動管に流入すると、振動管の運動に強制的に関与させられる。ニュートンの第2法則によると、流体が流れると質量流量に比例するコリオリ力が発生する(Fc=2ωVm、ここでωは振動角速度、Vは流体速度、mは流体質量)。
振動管のねじれ現象:振動周期内で、流体は振動管に反対方向の付加力を加える。例えば、振動管が上方に振動すると、流入流体は上方に移動することに抵抗し、管壁に下方に力を加える、流出流体は下向き運動に抵抗し、上向きの力を加える。このモーメントは振動管に周期的なねじれ(コリオリ現象)を生じさせ、ねじれ量は質量流量に比例する。
3.位相差検出と流量計算
振動管のねじれにより、入口と出口の振動位相に差が生じる。両側電磁信号検出器はそれぞれ振動信号を記録し、位相差(
ΔT)。
時間差と流量の関係:位相差ΔTは質量流量に比例し、式Qm=KηΔT(Kは流量標準係数)を通じて直接質量流量を計算する。
デジタル信号処理の最適化:デジタル信号処理(DSP)技術を用いてノイズを濾過し、位相差検出精度を高め、応答時間は従来のアナログ信号処理より2-4倍速い。
4.温度補償と密度測定
温度変化は振動管の鋼性に影響し、ひいてはねじれ量に影響する。トランスミッタは白金抵抗温度計を用いてリアルタイムで温度を監視し、温度干渉を除去するために流量計算モデルを調整する。
振動管の共振周波数は流体密度(ρ∝f 2)と相関しており、共振周波数を測定することで流体密度値を同期して出力することができる。