質(zhì)量流量計工作原理

1、質(zhì)量流量計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，僅測量體積流量是不夠的，由于產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料配比測定、成本核算以及生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)等許多應(yīng)用場合的需要，還必須了解流體的質(zhì)量流量。質(zhì)量流量計的測量方法，可分為間接測量和直接測量兩類。間接式測量方法通過測量體積流量和流體密度經(jīng)計算得出質(zhì)量流量，這種方式又稱為推導(dǎo)式；直接式測量方法則由檢測元件直接檢測出流體的質(zhì)量流量。1間接式質(zhì)量流量計間接式質(zhì)量流量測量方法，一般是采用體積流量計和密度計或兩個不同類型的體積流量計組合，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量的測量。常見的組合方式主要有3種。（1）節(jié)流式流量計與密度計的組合由前述知，節(jié)流式流量

2、計的差壓信號正比于，如圖1所示，密度計連續(xù)測量出流體的密度，將兩儀表的輸出信號送入運(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）靶式流量計的輸出信號與也成正比關(guān)系，故同樣可按上述方法與密度計組合構(gòu)成質(zhì)量流量計。密度計可采用同位素、超聲波或振動管式等連續(xù)測量密度的儀表。圖1節(jié)流式流量計與密度計組合（2）體積流量計與密度計的組合推薦精選如圖2所示，容積式流量計或速度式流量計，如渦輪流量計、電磁流量計等，測得的輸出信號與流體體積流量成正比，這類流量計與密度計組合，通過乘法運(yùn)算，即可求出質(zhì)量流量為 （1-2）（3）體積流量計與體積流量計的組合如圖3所示，這種質(zhì)量流量檢測裝置通常由節(jié)流式流量計和

3、容積式流量計或速度式流量計組成，它們的輸出信號分別正比于和通過除法運(yùn)算，即可求出質(zhì)量流量為 （1-3）圖2體積流量計和密度計組合 圖3 節(jié)流式流量計和其他體積流量計組合除上述幾種組合式質(zhì)量流量計外，在工業(yè)上還常采用溫度、壓力自動補(bǔ)償式質(zhì)量流量計。由于流體密度是溫度和壓力的函數(shù)，而連續(xù)測量流體的溫度和壓力要比連續(xù)測量流體的密度容易，因此，可以根據(jù)已知被測流體密度與溫度和壓力之間的關(guān)系，同時測量流體的體積流量以及溫度和壓力值，通過運(yùn)算求得質(zhì)量流量或自動換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。但這種測量方式不適合高壓或溫度變化范圍大的情形，因?yàn)樵诖藯l件下自動補(bǔ)償檢測出來的溫度、壓力很困難。2直接式質(zhì)量流量計直接

4、式質(zhì)量流量計的輸出信號直接反映質(zhì)量流量，其測量不受流體的溫度、壓力、密度變化的影響。直接式質(zhì)量流量計有許多種形式。推薦精選（1）熱式質(zhì)量流量計熱式質(zhì)量流量計的基本原理是利用外部熱源對管道內(nèi)的被測流體加熱，熱能隨流體一起流動，通過測量因流體流動而造成的熱量（溫度）變化來反映出流體的質(zhì)量流量。如圖4所示，在管道中安裝一個加熱器對流體加熱，并在加熱器前后的對稱點(diǎn)上檢測溫度。設(shè)為流體的定壓比熱，為測得的兩點(diǎn)溫度差，則根據(jù)傳熱規(guī)律，對流體的加熱功率與兩點(diǎn)間溫差的關(guān)系可表示為 （1-4）由上式可寫出質(zhì)量流量的方程式 （1-5）圖4熱式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)流體成分確定時，流體的定壓比熱為已知常數(shù)。因此由上

5、式可知，若保持加熱功率恒定，則測出溫差便可求出質(zhì)量流量；若采用恒定溫差法，即保持兩點(diǎn)溫差不變，則通過測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單、易實(shí)現(xiàn)，所以實(shí)際應(yīng)用較多。這種流量計多用于較大氣體流量的測量。為避免測溫和加熱元件因與被測流體直接接觸而被流體玷污和腐蝕，可采用非接觸式測量方法，即將加熱器和測溫元件安裝在薄壁管外部，而流體由薄壁管內(nèi)部通過。非接觸式測量方法，適用于小口徑管道的微小流量測量。當(dāng)用于大流量測量時，可采用分流的方法，即僅測量分流部分流量，再求得總流量，以擴(kuò)大量程范圍。推薦精選圖5為熱式質(zhì)量流量計的外觀圖。圖5 熱式質(zhì)量流量計外觀圖（2）差壓式質(zhì)量流量計差壓式質(zhì)

6、量流量計是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計，實(shí)際應(yīng)用中利用孔板和定量泵組合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測量。常見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孔板A和B，在分流管道上裝置兩個流向相反、流量固定為的定量泵，差壓計連接在孔板A入口和孔板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)差壓式流量測量原理，孔板A和B處壓差分別為 （1-6） （1-7）式中，為常數(shù)；為流體的密度。由上式可得推薦精選 （1-8）可見，孔板A、B前后的壓差與流體質(zhì)量流量成正比，測出壓差便可以求出流體質(zhì)量流量。圖6雙孔板差壓

7、式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)原理圖由于雙孔板質(zhì)量流量計的定量泵流量必須大于主管道流量，并且要用兩個定量泵，在主管道流量較大時比較困難。因此，提出采用一個定量泵和四個孔板組合的改進(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，兩個支路間安裝一個定量泵，流量為。設(shè)流過孔板A的體積流量為，流過孔板B、C、D的體積流量如圖7中所示。用與上述計算相同的方法，在時，可求出如下關(guān)系 （1-9）如果，則變成如下關(guān)系 （1-10）可見，四孔板與定量泵組合結(jié)構(gòu)不論或均可測量。這種測量方法，適于測量液體的質(zhì)量流量，測量范圍為0.5250 kg/h，量程比為20：1，測量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5。推

8、薦精選圖7四孔板差壓式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)原理圖（3）科里奧利質(zhì)量流量計科里奧利質(zhì)量流量計（簡稱科氏力流量計）是一種利用流體在振動管中流動而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表?？剖狭α髁坑嫿Y(jié)構(gòu)有多種形式，一般由振動管與轉(zhuǎn)換器組成。振動管（測量管道）是敏感器件，有U形、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)量流量計為例介紹。圖8科氏力流量計測量原理圖8所示為U形管式科氏力流量計的測量原理示意圖。U形管的兩個開口端固定，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U形管，使其鉛垂直于U形管所在平面的方向以O(shè)-O為軸

9、按固有頻率振動。U形管的振動迫使管中流體在沿管道流動的同時又隨管道作垂直運(yùn)動，此時流體將受到科氏力的作用，同時流體以反作用力作用于U形管。由于流體在U形管兩側(cè)的流動方向相反，所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反推薦精選，從而使U形管受到一個力矩的作用，管端繞RR軸扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，該變形量的大小與通過流量計的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。因此，測得這個變形量，即可測得管內(nèi)流體的質(zhì)量流量。設(shè)U形管內(nèi)流體流速為，U形管的振動可視為繞O-O為軸的瞬時轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動角速度為若流體質(zhì)量為，則其上所作用的科氏力為 （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

10、形管跨度半徑。因?yàn)橘|(zhì)量流量和流速可分別寫為：，式中為時間，則上式可寫為 （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型管在振動過程中，角是不斷變化的，并在管端越過振動中心位置Z-Z時達(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、將不能同時越過中心位置Z-Z，而存在時間差。由于角很小，設(shè)管端在振動中心位置時的振動速度為，（），則推薦精選 （1-16）從而 （1-17）將上式代入式（1-15），得 （1-18）對于確定的流量計，式中的和是已知的，故質(zhì)量流量與時間差成正比。如圖8所示，只要在振動中心位置Z-Z處安裝兩個光電或磁電位移