工業(yè)儀表與工程測試：第6章 流量測量3

1、6.7.6 轉(zhuǎn)子流量計(1)結(jié)構(gòu) 一根外有刻度的錐形玻璃管，錐形玻璃管內(nèi)有一轉(zhuǎn)子（浮子）, 法蘭和支撐板組成。（2）工作原理 流體由錐形玻璃管底進入，從頂部流出。轉(zhuǎn)子受流體作用而升高。流體通過轉(zhuǎn)子與錐形玻璃管的環(huán)形縫隙時，由于流道截面積縮小，流速增大，導致流體靜壓下降，使轉(zhuǎn)子上下產(chǎn)生壓差，即產(chǎn)生一個向上的推力。當此推力與轉(zhuǎn)子的靜重力（轉(zhuǎn)子受力減去流體對轉(zhuǎn)子的浮力）相等時，轉(zhuǎn)子處于平衡狀態(tài)，停留在一定位置上。 設轉(zhuǎn)子的體積為Vf，轉(zhuǎn)子最大處的截面積為Ff，轉(zhuǎn)子材料的密度為 f ，流體的密度為 ，流體經(jīng)轉(zhuǎn)子的壓力差為p，當轉(zhuǎn)子在流體中處于平衡時，有（24） 當轉(zhuǎn)子停留在一定位置時，轉(zhuǎn)子與錐形玻璃管

2、間環(huán)隙的面積也一定。流體流經(jīng)此環(huán)隙時，流速與壓力的變化關系與通過孔板流量計孔口時的情形相似。流量公式 CR的數(shù)值與轉(zhuǎn)子的形狀及流體通過環(huán)隙時的Re有關。(25)環(huán)隙截面積流量計的流量系數(shù)將式（24）代入式（25）得(m3/s)(26) 由式（26）可見，對于一定的轉(zhuǎn)子流量計，其Vf，F(xiàn)f， f均不變，即流體流經(jīng)轉(zhuǎn)子時的壓力差p=Constant,與流量無關。 若流體介質(zhì)一定（=Constant）；在測量范圍內(nèi)，CR也為常數(shù)，則 流量與FR成正比 轉(zhuǎn)子流量計的玻璃管為錐形，上大下小，因此，轉(zhuǎn)子停留位置越高，流體所通過的環(huán)隙截面積越大，流量越大。即流量與轉(zhuǎn)子所處高度成正比。(3) 轉(zhuǎn)子流量計的使用

3、 氣體轉(zhuǎn)子流量計流量標尺上的刻度表示：標準狀態(tài)下（20 ，1.013 105Pa）的空氣流量。當被測氣體的種類及其工況（壓力和溫度）不同時，指示值與實際流量間會存在差別，須進行修正?？諝饬髁勘粶y介質(zhì)流量被測介質(zhì)密度空氣密度因f a， f g，故f a f , f g f 所以(3) 轉(zhuǎn)子流量計浮子的形式（4）轉(zhuǎn)子流量計的用途： 氣體和液體皆可； 精確度：1-2%6.7.7 靶式流量計（1）結(jié)構(gòu)與工作原理： 在管道中垂直于流體流動方向上置一圓盤形鋼片靶。流體通過時對靶片產(chǎn)生推動力，經(jīng)杠桿系統(tǒng)產(chǎn)生力矩。力矩與流量的平方成正比。作用于靶上的推動力： 1）流體對靶的沖擊力動壓力； 2）靶背面旋渦形成的

4、抽吸效應使靶前后產(chǎn)生壓力差； 3）流體流經(jīng)靶時速度增大，與靶周邊產(chǎn)生粘滯摩擦力。 前二者方向相同，起主導作用；后者可忽略。環(huán)形流通面積處的平均流速靶直徑靶式流量計的基本方程式：顯然，測得靶受到的力F，即可知流量。靶輸出力阻力系數(shù)靶的迎流面積（2） 安裝與使用1）工作環(huán)境溫度：60 ；2）流量計前后應加截止閥、旁路閥及放空閥；3）垂直安裝時流體自下而流動；流體中含有顆粒物時，須水平安裝；4）流量計前后應有一定長度的直管段，且其直徑與儀表管徑一致；5）流量計須與管道同心。6.8 質(zhì)量流量計6.8.1 科里奧利質(zhì)量流量計 1977年，美國的James E. Smith發(fā)明了第一臺科里奧利質(zhì)量流量計(

5、Coriolis Mass FlowerCMF，簡稱科氏流量計)。它是利用流體在振動管中流動時產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理進行測量的。由于它實現(xiàn)了真正意義上的高精度的直接質(zhì)量流量測量，具有抗磨損、耐腐蝕、可測量多種介質(zhì)及多個參數(shù)等諸多優(yōu)點，現(xiàn)已在石油化工、制藥、食品及其他工業(yè)過程中廣泛應用。6.8.1.1 科里奧利質(zhì)量流量計的工作原理 法國科學家科里奧利早在19世紀提出，當一根管子繞原點旋轉(zhuǎn)時，一個質(zhì)點從原點通過管子向外端流動，即質(zhì)點的線速度由零逐漸增大，質(zhì)點被賦予了能量，隨之產(chǎn)生的反作用力Fc(即慣性力)將使管子的旋轉(zhuǎn)速度減緩，使管子運動發(fā)生滯后。相反，一個質(zhì)點從外端通過管子向原點

6、流動，即質(zhì)點的線速度由大逐漸減小趨向于零，質(zhì)點的能量被釋放出來，隨之產(chǎn)生的反作用力Fc將使管子的旋轉(zhuǎn)速度加快，使管子運動發(fā)生超前。如圖6-72(a)所示。這種使旋轉(zhuǎn)的管子運動發(fā)生超前或滯后的力稱為科里奧利力簡稱科氏力。圖6-72 科氏力作用原理圖 將繞著同一根軸線以相同相位旋轉(zhuǎn)的兩根相同管子的外端用同樣的管子連接起來，如圖6-72(b)所示，當管內(nèi)無流體流過時，連接管與軸線是平行的；而當管內(nèi)有流體流過時，由于科氏力的作用，兩旋轉(zhuǎn)管產(chǎn)生相位差(質(zhì)點流出側(cè)相位領先于流入側(cè))，連接管不再與軸線平行?？剖狭髁坑嬀褪抢眠@一原理制成的。科氏流量計通常是以振動代替旋轉(zhuǎn)運動，即由兩端固定的薄壁測量管，在中心

7、處加以測量管諧振或接近諧振的激勵。這樣，如果把測量段看作是從中心分開的兩段，那么這兩段就相當于分別圍繞兩端固定點做來回旋轉(zhuǎn)運動。當流體從一端流向另一端時，就產(chǎn)生了科里奧利力，使測量管中點前后兩半段產(chǎn)生方向相反的扭曲，進而產(chǎn)生相位差。測出扭曲量-扭角的大小或測出兩段管通過中心平面的時間差t，即可得知質(zhì)量流量。 如圖6-73所示，設管道AC的橫截面面積為S，管內(nèi)流體相對管道的流速為v，流體的密度為，則流體的質(zhì)量流量(單位時間流過管道橫截面的流體質(zhì)量)可表示為:圖 6-73 設管道圍繞過A點且垂直管道的軸(圖6-73中該軸垂直版面)以角速度轉(zhuǎn)動，取沿管道長為L的一個任意元段的流體為研究對象，并設其質(zhì)

8、量為m，沿管道的流速為v，則可得到流體元段L所受到的科氏力為:所以，單位長度管道所受到的科氏力的大小為 上式表明，作用于管道上的科氏力與流體的質(zhì)量流量成正比，而與流體的物理性質(zhì)無關。利用這一結(jié)論，直接或間接測量有流體流動的旋轉(zhuǎn)管道所受到的科氏力，即可得到流體的質(zhì)量流量 。6.8.2 單U型彎管質(zhì)量流量計 科氏流量計的振動管(測量管)的形狀有多種，但總的說來可分為彎管與直管兩種，其中又有單管與雙管之分?？剖腺|(zhì)量流量計由傳感器和轉(zhuǎn)換器構(gòu)成，核心部分是它的傳感器，其結(jié)構(gòu)主要由測量管、驅(qū)動器和信號檢測器組成。單U型彎管質(zhì)量流量計為例說明其工作原理 圖6-74為單U型彎管質(zhì)量流量計傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。U

9、型測量管AD1CD2B與輸送流體的管道串聯(lián)相接，A端是入流口，B端是出流口，A端和B端均固定在基座上不動。電磁驅(qū)動器在測量管的中點C處，它激勵C點在垂直圖中版面的方向作小幅度振動(振幅為12mm)，從而帶動整個測量管繞著過AB的軸振動。流體不流動時，測量管系統(tǒng)的振動稱為主振動，除測量管根部A、B節(jié)點外，管上的各點均在圖中垂直版面的方向(設為x方向)振動。圖中D1和D2是處于彎管轉(zhuǎn)角處的兩個對C點對稱的測量點，在測量點上各有一個電磁感應信號檢測器，經(jīng)過數(shù)字信號處理系統(tǒng)(DSP)取樣濾波后,分別輸出D1和D2點振動基波的正弦波信號。當管中的流體不流動時，D1和D2點主振動的位移是同步的，兩個檢測器

10、輸出的是同相位的正弦波信號。 圖 6-74單U型彎管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)示意圖 當管中有流體流動時，管的進口側(cè)AD1段和出口側(cè)BD2段將會受到科氏力的作用，如圖6-75所示。圖中表示的是沿AB方向看去，測量管做順時針轉(zhuǎn)動的情形，此時角速度的方向由A指向B，該方向與管子在進口側(cè)和出口側(cè)中流體的流速都是垂直的，但是由于流體在測量管進口側(cè)和出口側(cè)的流速方向相反，所以兩側(cè)管子受到的科氏力的方向也相反。在進口側(cè)，測量管受到的科氏力垂直管子指向版面外(沿x軸反方向)，它與管上各點振動位移的方向相反，從而使管子上各點的振動位移較主振動(流體不動情形)要滯后；而在出口側(cè)，測量管受到的科氏力則垂直管子指向版面內(nèi)(沿x

11、軸正方向)，它與管上各點振動位移的方向一致，從而使管子上各點的振動位移較主振動要超前。D1CD2段管子中的流體流速 與平行，因此不產(chǎn)生科氏力。由于進口側(cè)和出口側(cè)管子所受到的科氏力大小相等、方向相反，它們形成了一對使測量管產(chǎn)生扭曲的力偶矩，從而使D1CD2管段繞C點在垂直版面的平面內(nèi)相應地轉(zhuǎn)過了一個圖 6-75 科氏力作用示意圖 角(很小)。當測量管逆時針轉(zhuǎn)動時，由于流體流速的方向并未改變，所以管子受到的科氏力與圖4所示的情形正相反。此時仍然是測量管進口側(cè)受到的科氏力與管上各點振動位移的方向相反，從而使管上各點的振動位移較主振動要滯后；而測量管出口側(cè)科氏力的作用仍然是使管子上各點的振動位移較主振動要超前。總之，只要流體流向不改變，總是測量管進口側(cè)各點振動位移較主振動滯后，出口側(cè)各點振動位移較主振動超前.如果流體逆向流動，則上述結(jié)論正相反。6.8.3 加溫型熱式液體流量計 圖6-76所示是加溫型熱式液體流量計原理簡圖在字型測量通道上端置一加熱元件H,測量管進口端/出口端的液體溫度與流量傳感器下部鋁材基座的溫度相同。加熱溫度很低,僅升高1。在加熱元件與流入/流出端間設置測溫元件,由500對熱電偶串接的熱電堆(thermopile),分別測量加熱元件上/下游測量通道溫度,也有在字型通道兩邊設兩支鉑