質(zhì)量流量計(jì)工作原理

1、質(zhì)量流量計(jì)工作原理質(zhì)量流量計(jì)工作原理流體的體積是流體溫度、 壓力和密度的函數(shù)。 在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué) 研究中，僅測(cè)量體積流量是不夠的，由于產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料配比測(cè) 定、成本核算以及生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)調(diào)節(jié)等許多應(yīng)用場(chǎng)合的需要， 還必須 了解流體的質(zhì)量流量。質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量方法， 可分為間接測(cè)量和直接測(cè)量?jī)深?lèi)。 間接 式測(cè)量方法通過(guò)測(cè)量體積流量和流體密度經(jīng)計(jì)算得出質(zhì)量流量， 這種 方式又稱(chēng)為推導(dǎo)式； 直接式測(cè)量方法則由檢測(cè)元件直接檢測(cè)出流體的 質(zhì)量流量。1間接式質(zhì)量流量計(jì)間接式質(zhì)量流量測(cè)量方法， 一般是采用體積流量計(jì)和密度計(jì)或兩 個(gè)不同類(lèi)型的體積流量計(jì)組合， 實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量的測(cè)量。 常見(jiàn)的組合方 式主要有 3

2、 種。1）節(jié)流式流量計(jì)與密度計(jì)的組合由前述知，節(jié)流式流量計(jì)的差壓信號(hào)正比于，如圖 1 所示，密度 計(jì)連續(xù)測(cè)量出流體的密度， 將兩儀表的輸出信號(hào)送入運(yùn)算器進(jìn)行必要 運(yùn)算處理，即可求出質(zhì)量流量為1-1)靶式流量計(jì)的輸出信號(hào)與也 xx 關(guān)系，故同樣可按上述方法與密 度計(jì)組合構(gòu)成質(zhì)量流量計(jì)。 密度計(jì)可采用同位素、 超聲波或振動(dòng)管式 等連續(xù)測(cè)量密度的儀表。羞壓計(jì)圖1節(jié)流式流量計(jì)與密度計(jì)組合(2)體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合如圖2所示，容積式流量計(jì)或速度式流量計(jì)，如渦輪流量計(jì)、電 磁流量計(jì)等，測(cè)得的輸出信號(hào)與流體體積流量 xx，這類(lèi)流量計(jì)與密 度計(jì)組合，通過(guò)乘法運(yùn)算，即可求出質(zhì)量流量為(1-2)(3)體積流量

3、計(jì)與體積流量計(jì)的組合如圖3所示，這種質(zhì)量流量檢測(cè)裝置通常由節(jié)流式流量計(jì)和容積式流量計(jì)或速度式流量計(jì)組成，它們的輸出信號(hào)分別正比于和通過(guò)除法運(yùn)算，即可求出質(zhì)量流量為(1-3)圖 2 體積流量計(jì)和密度計(jì)組合圖 3 節(jié)流式流量計(jì)和其他體積流量 計(jì)組合除上述幾種組合式質(zhì)量流量計(jì)外， 在工業(yè)上還常采用溫度、 壓力 自動(dòng)補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)。 由于流體密度是溫度和壓力的函數(shù)， 而連續(xù) 測(cè)量流體的溫度和壓力要比連續(xù)測(cè)量流體的密度容易， 因此，可以根 據(jù)已知被測(cè)流體密度與溫度和壓力之間的關(guān)系， 同時(shí)測(cè)量流體的體積 流量以及溫度和壓力值， 通過(guò)運(yùn)算求得質(zhì)量流量或自動(dòng)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀 態(tài)下的體積流量。 但這種測(cè)量方式不適

4、合高壓或溫度變化范圍大的情 形，因?yàn)樵诖藯l件下自動(dòng)補(bǔ)償檢測(cè)出來(lái)的溫度、壓力很困難。2直接式質(zhì)量流量計(jì)直接式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號(hào)直接反映質(zhì)量流量， 其測(cè)量不受流 體的溫度、壓力、密度變化的影響。 直接式質(zhì)量流量計(jì)有許多種形式。（ 1）熱式質(zhì)量流量計(jì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的基本原理是利用外部熱源對(duì)管道內(nèi)的被測(cè)流 體加熱，熱能隨流體一起流動(dòng)， 通過(guò)測(cè)量因流體流動(dòng)而造成的熱量 （溫 度）變化來(lái)反映出流體的質(zhì)量流量。如圖 4 所示，在管道中安裝一個(gè)加熱器對(duì)流體加熱，并在加熱器 前后的對(duì)稱(chēng)點(diǎn)上檢測(cè)溫度。 設(shè)為流體的定壓比熱， 為測(cè)得的兩點(diǎn)溫度 差，則根據(jù)傳熱規(guī)律， 對(duì)流體的加熱功率與兩點(diǎn)間溫差的關(guān)系可表示 為（1

5、-4）由上式可寫(xiě)出質(zhì)量流量的方程式(1-5 )加熱器流體A熬電偶功率表圖4熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)流體成分確定時(shí)，流體的定壓比熱為已知常數(shù)。因此由上式可 知，若保持加熱功率恒定，則測(cè)出溫差便可求出質(zhì)量流量；若采用恒 定溫差法，即保持兩點(diǎn)溫差不變，則通過(guò)測(cè)量加熱的功率也可以求出 質(zhì)量流量。由于恒定溫差法較為簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，所以實(shí)際應(yīng)用較多。 這種流量計(jì)多用于較大氣體流量的測(cè)量。為避免測(cè)溫和加熱元件因與被測(cè)流體直接接觸而被流體玷污和 腐蝕，可采用非接觸式測(cè)量方法，即將加熱器和測(cè)溫元件安裝在薄壁 管外部，而流體由薄壁管內(nèi)部通過(guò)。非接觸式測(cè)量方法，適用于小口 徑管道的微小流量測(cè)量。當(dāng)用于大流量測(cè)量時(shí)，

6、可采用分流的方法， 即僅測(cè)量分流部分流量，再求得總流量，以擴(kuò)大量程范圍。圖5為熱式質(zhì)量流量計(jì)的外觀圖圖5熱式質(zhì)量流量計(jì)外觀圖（2）差壓式質(zhì)量流量計(jì)差壓式質(zhì)量流量計(jì)是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計(jì)， 實(shí)際應(yīng)用 中利用孔板和定量泵組合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量。 常見(jiàn)的有雙孔板和四孔 板與定量泵組合兩種結(jié)構(gòu)。雙孔板結(jié)構(gòu)形式如圖6所示，在主管道上安裝結(jié)構(gòu)和尺寸完全相 同的兩個(gè)孔板A和B,在分流管道上裝置兩個(gè)流向相反、流量固定為 的定量泵，差壓計(jì)連接在孔板Axx和孔板B出口處。設(shè)主管道體積流 量為，且滿足，則由圖可知，流經(jīng)孔板 A的體積流量，流經(jīng)孔板B的 流量為，根據(jù)差壓式流量測(cè)量原理，孔板 A和B處壓差分別為（

7、1-6）（1-7）式中，為常數(shù)；為流體的密度。由上式可得（1-8 ）可見(jiàn)，孔板A、B前后的壓差與流體質(zhì)量流量xx，測(cè)出壓差便可 以求出流體質(zhì)量流量。圖6雙孔板差壓式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖由于雙孔板質(zhì)量流量計(jì)的定量泵流量必須大于主管道流量，并且要用兩個(gè)定量泵，在主管道流量較大時(shí)比較困難。因此，提出采用一 個(gè)定量泵和四個(gè)孔板組合的改進(jìn)方案。 如圖7所示，從主管道流入的 流量分成兩路，并在支路安裝相同的孔板 A、C和B D,兩個(gè)支路間 安裝一個(gè)定量泵，流量為。設(shè)流過(guò)孔板A的體積流量為，流過(guò)孔板B C D的體積流量如圖7xx所示。用與上述計(jì)算相同的方法，在時(shí)， 可求出如下關(guān)系（1-9）如果，則變成如下關(guān)

8、系（1-10）可見(jiàn)，四孔板與定量泵組合結(jié)構(gòu)不論或均可測(cè)量。這種測(cè)量方法，適于測(cè)量液體的質(zhì)量流量，測(cè)量范圍為0.5250 kg/h，量程比為20: 1,測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5 %。圖7四孔板差壓式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖（3）科里奧利質(zhì)量流量計(jì)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)（簡(jiǎn)稱(chēng)xx流量計(jì)）是一種利用流體在振動(dòng) XX流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量xx的科里xx的原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量 的儀表。xx流量計(jì)結(jié)構(gòu)有多種形式，一般由振動(dòng)管與轉(zhuǎn)換器組成。振動(dòng) 管（測(cè)量管道）是敏感器件，有 U形、Q形、環(huán)形、直管形及螺旋 形等幾種形狀，也有用雙管等方式，但基本原理相同。下面以U形管式的質(zhì)量流量計(jì)為例介紹。圖8 xx流量計(jì)測(cè)量原理圖8所

9、示為U形管式xx流量計(jì)的測(cè)量原理示意圖。U形管的兩 個(gè)開(kāi)口端固定，流體由此流入和流出。U形管頂端裝有電磁激振裝置， 用于驅(qū)動(dòng)U形管，使其鉛垂直于U形管所在平面的方向以0-0為軸按 固有頻率振動(dòng)。U形管的振動(dòng)迫使xx流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨 管道作垂直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體將受到 xx的作用，同時(shí)流體以反作用力 作用于U形管。由于流體在U形管兩側(cè)的流動(dòng)方向相反，所以作用于 U形管兩側(cè)的xx大小相等方向相反，從而使 U形管受到一個(gè)力矩的 作用，管端繞F R軸扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過(guò) 流量計(jì)的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。因此，測(cè)得這個(gè)變形量，即可測(cè) 得管內(nèi)流體的質(zhì)量流量。設(shè)U形管內(nèi)流體流速為，

10、U形管的振動(dòng)可視為繞0-0為軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為若流體質(zhì)量為，則其上所作用的xx為(1-11)式中，、均為矢量，是按正弦規(guī)律變化的U形管所受扭力矩為(1-12)式中，為U形管跨度半徑。因?yàn)橘|(zhì)量流量和流速可分別寫(xiě)為：，式中為時(shí)間，則上式可寫(xiě) 為（ 1-13 ）設(shè)U型管的扭轉(zhuǎn)彈性模量為，在扭力矩作用下，U型管產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為。故有（ 1-14 ）因此，由上兩式得（ 1-15 ）U型管在振動(dòng)過(guò)程中，角是不斷變化的，并在管端越過(guò)振動(dòng)中心 位置 Z-Z 時(shí)達(dá)到最大。若流量穩(wěn)定，則此最大角是不變的。由于角的 存在，兩直管端、將不能同時(shí)越過(guò)中心位置 Z-Z，而存在時(shí)間差。由 于角很小，設(shè)管端在振動(dòng)中心位置時(shí)的振動(dòng)速度為，（），則（1-16）從而（1-17）將上式代入式（ 1-15 ），得（1-18）對(duì)于確定的流量計(jì)，式中的和是已知的，故質(zhì)量流量與時(shí)間差xx