高質(zhì)量流量計(jì)工作原理

1、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?。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。常見的組合方式主要有3種。(1) 節(jié)流式流量計(jì)與密度計(jì)的組合由前

2、述知，節(jié)流式流量計(jì)的差壓信號(hào) P正比于qv2，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 qv2也成正比關(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。J 1L密度計(jì)差壓計(jì)口匚運(yùn)算器一必圖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qv成正比，這類流量計(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

3、積流量計(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)勺皇=a右圖3節(jié)流式流量計(jì)和其他體積流量計(jì)組合圖2體積流量計(jì)和密度計(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)量方式不適合高

4、壓或溫度變化 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 點(diǎn)上檢測(cè)溫度。設(shè)Cp為流體的定壓比熱，T為測(cè)得的兩點(diǎn)溫度差，則根據(jù)傳熱(1-4)規(guī)律，對(duì)流體的加熱功率P與兩點(diǎn)間溫差的關(guān)系可表示為 由上式可寫出

5、質(zhì)量流量的方程式(1-5)PJF管道加熱器J 4-流體AA熱電偶-w功率表熱電偶圖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P恒定，貝U測(cè)出溫差 T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 T不變，則通過(guò)測(cè)量加熱的功率 P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 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

6、。 當(dāng)用于大流量 測(cè)量時(shí)，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 q的定量泵，差壓計(jì)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qv，且滿足q qv，則由圖可知，流經(jīng)孔板A的體積流量qv q ,流經(jīng)孔板B的流量為qv q

7、，根據(jù)差壓式流量測(cè)量原理，孔板 A和B處壓差分別為(1-6)(1-7)(1-8)Ma二叭-鞏二Kp賦-卅A?® 二刊一力三 (知一 *?)'_切啟二尹1 一血二二丈皿式中，K為常數(shù)；為流體的密度。由上式可得可見，孔板A B前后的壓差p P! P3與流體質(zhì)量流量qm qv成正比,測(cè)出壓差P便可以求出流體質(zhì)量流量由于雙孔板質(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qv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q。

8、設(shè)流過(guò)孔板A的體積流量為qA，流過(guò)孔板B C、D的體積流量如圖7中所示。用與上述計(jì)算(1-9)(1-10)相同的方法，在q qv時(shí)，可求出如下關(guān)系如果q qv，則變成如下關(guān)系葉恥二4問(wèn)幽v可見，四孔板與定量泵組合結(jié)構(gòu)不論 q qv或q qv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)稱科氏力流量計(jì)）是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)而產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來(lái)直接測(cè)量質(zhì)量流量的儀表?？剖狭α髁坑?jì)結(jié)構(gòu)有多種形式，一般由振動(dòng)管與轉(zhuǎn)

9、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科氏力流量計(jì)測(cè)量原理圖8所示為U形管式科氏力流量計(jì)的測(cè)量原理示意圖。U形管的兩個(gè)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(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) 迫使管中流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨管道作垂直運(yùn)動(dòng)， 此時(shí)流體將受到科氏力 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)的科氏力大小相等方向相反，

10、從而使U形管受到一 個(gè)力矩的作用，管端繞R- 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)得管流體的質(zhì)設(shè)U形管流體流速為u，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m，則其上所作用的科氏力為F 2m u(1-11 )式中，F(xiàn)、u均為矢量，是按正弦規(guī)律變化的。U形管所受扭力矩為M Rn F2r2 2Fr 4m ur(1-12)式中F1 F2 F F，r1 r2 r為U形管跨度半徑。(1-13)因?yàn)橘|(zhì)量流量和流速可分別寫為：qm m/t，u L/t，式中t為時(shí)間，則上 式可寫為M 4 rLq m設(shè)U型管的扭轉(zhuǎn)彈性模量為Ks，在扭力矩M作用下，U型管產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為 故有(1-14)M二丈啟因此，由上兩式得qm 牛(1-15)4 rLU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 P、卩2將不能同時(shí)越過(guò)中心位置Z-Z，而存在時(shí)間差t。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up， ( upL )，則從而2r sinuP2rL(1-16)(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Ks和r是已知的，故質(zhì)量流量qm與