質(zhì)量流量計介紹

1、質(zhì)量流量計介紹 目前廣泛應(yīng)用的流量計，無論是差壓式、靶式、渦輪、電磁或容積等型式，從原理上看都足測量容積流量的。由于流體的容積大小受其溫度、壓力等參數(shù)的影響，當被測流體的溫度、壓力坐化時，應(yīng)把所測量的容積流量換算成標準狀態(tài)或某一約定狀態(tài)下的相應(yīng)值。但事實上當溫度、壓力頻繁變動時，進行及時的換算是很困難的，有時是不可能的。 因此，希望用質(zhì)量流量計來測量質(zhì)量流量。另外、在實際生產(chǎn)中，由于要對產(chǎn)品進行質(zhì)量控制、對生產(chǎn)過程中各種物料混合比率進行測定、成本核算以及對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)等，也必須了解質(zhì)量流量。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和自動化水平的提高，例如實現(xiàn)大型發(fā)電機組的全程自啟停、對核電站氣、液二相流

2、的規(guī)定，以及對電廠熱力經(jīng)濟性進行更準確的評價等，都使得質(zhì)量流量測量技術(shù)日益重要:容積流量Q和質(zhì)質(zhì)量流量M之之間的關(guān)系是是 MM=Q (110-1)或 M=A (10-2)式中 -被測流體的的密度，kggm3; A-流體體的流通截面面(一般為管管道的流通截截面), mm2; -流通通截面A處的的平均流速，mms.質(zhì)量流量計分分間接式推推導(dǎo)式和直直接式兩類。根根據(jù)式(100 -1)測測量質(zhì)量流量量的儀表，必必須先測量積積流量再乘被被測流體的密密度，通過密密度計和乘法法器實現(xiàn)，這這種儀表稱為為間接式質(zhì)量量流量計或推推導(dǎo)式質(zhì)量流流量計。日前前, 密度計計由于結(jié)構(gòu)和和元件特性的的限制，在高高溫、高壓下下

3、尚不能運用用只能采用用固定的密度度數(shù)值乘容積積流量。眾所所周知，介質(zhì)質(zhì)密度隨著壓壓力、溫度的的變化而異,在變動工況況下采用固定定的密度值將將帶來較大的的質(zhì)量流量測測量誤差，故故必須進行參參數(shù)補償，據(jù)據(jù)此發(fā)展了溫溫度、壓力補補償式流量計計。檢測出被被測流體的溫溫度、壓力，然然后按一定的的數(shù)學(xué)模型自自動換算出相相應(yīng)的密度值值, 得到密密度值與容積積流量值的乘乘積便可實現(xiàn)現(xiàn)質(zhì)量流量測測量，故稱為為溫度、壓力力補償式質(zhì)量量流量計。溫溫度、壓力補補償式質(zhì)量流流量計是當前前工業(yè)上普遍遍應(yīng)用的一種種推導(dǎo)式質(zhì)量量流量計的特特殊形式。直接檢測與質(zhì)質(zhì)量流量有關(guān)關(guān)的量來反映映質(zhì)量流量大大小的流量計計稱為直接式式質(zhì)量

4、流量計計。研制直接式質(zhì)質(zhì)量流量計, 目的在于于使最后代表表質(zhì)量流量的的輸出信號與與被測介質(zhì)的的壓力、溫度度等參數(shù)無關(guān)關(guān)，以解決當當介質(zhì)參數(shù)變變化范圍很大大，其密度和和溫度、壓力力之間的關(guān)系系不能看成線線性,而采用用溫度、壓力力自動補償方方式又很困難難和繁瑣的問問題。這也是是在溫度、壓壓力自動補償償式質(zhì)量流星星計已得到廣廣泛應(yīng)用的同同時, 還要要開展直接式式質(zhì)量流量計計研究的理由由。由于對直接式式質(zhì)量流量計計需求的迫切切性近幾年才才較強烈, 因此它正處處于迅速開發(fā)發(fā)階段，雖已已有多種類型型，但由于受受原理、結(jié)構(gòu)構(gòu)、維修、壽壽命及價格等等方面的限制制，在以用工工業(yè)中尚未廣廣泛應(yīng)用。本本章重點講述述

5、間接式質(zhì)量量流量計, 直接式質(zhì)量量流量計只作作一般介紹。第二節(jié) 直接式式質(zhì)量流量計計直接式質(zhì)量流流量汁，是由由檢測元件直直接反映質(zhì)量量流量的儀表表，目前巳利利用不同原理理開發(fā)出多種種類型，如動動量及動量矩矩式、慣性力力式、科里奧奧利力式、差差壓式、振動動式、熱式等等。每一種型型式又有多種種結(jié)構(gòu)，例如如差壓式有: 烏格努斯斯質(zhì)量流星計計、振動皮托托管質(zhì)量流量量計、粉體橋橋式質(zhì)量流星星計，流體涌涌出形質(zhì)量流流量計等振振動式有：懸懸臂振動及旋旋轉(zhuǎn)振動型質(zhì)質(zhì)量流量計、表表面進行波型型質(zhì)量流量計計等. 型式式繁多難以一一一敘述?，F(xiàn)現(xiàn)僅就常見的的應(yīng)用較多的的型式進行簡簡述，對有代代表性的結(jié)構(gòu)構(gòu)作重點介紹紹

6、。目前常見的直接接式質(zhì)量流量量計有雙渦輪輪質(zhì)量流量計計、動量矩式式質(zhì)量流量計計、慣性力式式質(zhì)景流量計計、科里奧利利式質(zhì)量流量量計以及熱式式質(zhì)量流量計計等。雙渦輪質(zhì)量流量量計的結(jié)構(gòu)原原理是，兩個個由彈簧連接接的渦輪,受受流體本身的的流動能量沖沖擊而旋轉(zhuǎn)，因因兩渦輪葉后后螺旋傾角不不同而造成力力矩差，該力力矩差由連接接彈簧所平衡衡，并使兩渦渦輪間形成扭扭角，扭角的的大小與質(zhì)量量流量成比例例，測量因扭扭角造成的信信號時間差，可可得質(zhì)量流量量。這種結(jié)構(gòu)構(gòu)的優(yōu)點是檢檢測元件利用用內(nèi)能源工作作, 不需外外加能量，結(jié)結(jié)構(gòu)簡單，但但對彈性元件件的性能要求求較高 ，且且需在設(shè)計上上考慮消除流流體受第一個個渦輪擾

7、動后后對第二個渦渦輪的影響，以以及在流體擾擾動影響下兩兩個渦輪之間間可能發(fā)生的的扭曲振動。動量矩式和慣慣性力式質(zhì)量量流量計是根根據(jù)牛頓第二二定律的原理理制作的，從從力學(xué)角度來來說，質(zhì)量是是物體慣性的的量度。物體體受外力作用用，運動狀態(tài)態(tài)發(fā)生變化，其其變化量的大大小與質(zhì)量有有關(guān). 測量量運動狀態(tài)對對時間的變化化率； 即可可測得質(zhì)量流流量，據(jù)此可可以創(chuàng)造多種種結(jié)構(gòu)的質(zhì)設(shè)設(shè)流量計. 動量矩式質(zhì)質(zhì)量流量汁是是用流體動量量矩的變化反反映質(zhì)量流量量的. 其典典型結(jié)構(gòu)是在在儀表殼內(nèi)存存一個主動輪輪和一個從動動倫，分別裝裝在短軸上，電電動機以恒定定角速度 驅(qū)驅(qū)動主動輪. 設(shè)流體的的等效旋轉(zhuǎn)半半徑為l ，則則流

8、體的平均均流速 。若若流體的質(zhì)量量為m，則動動量矩Jmm = 。由于從從動輪被彈簧簧限制，不能能旋轉(zhuǎn)，所以以測出彈簧的的制動力短即即可反映動量量矩。此動量量矩對時間的的變化率 . 因 系定定值, 故測測量 即可反反映質(zhì)量流量量M 。而而慣性方式質(zhì)質(zhì)量流量計一一般是利用被被則流體流經(jīng)經(jīng)以等速轉(zhuǎn)功功的可動測量量管件時，得得到一個附加加加速度，從從而可動管件件管壁受到流流體給的與加加速度反方向向的慣性力，此此慣性力與質(zhì)質(zhì)量流量成比比例, 由測測量慣性力或或慣性力矩可可測得質(zhì)量流流量。與雙渦渦輪質(zhì)量流量量計相比較，動動量矩和慣性性力式質(zhì)量流流量計都需要要外能源才能能工作。達一一類流量計目目前發(fā)展較快快

9、和應(yīng)用較廣廣的是一種被被稱為科里奧奧利式質(zhì)量流流量計，它是是通過測量科科里奧利力的的變化來反映映質(zhì)量流量大大小的。所謂謂科里奧利力力是指，處于于勻角速度轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動參照系中中的運動物體體，對在轉(zhuǎn)動動參照系中的的觀察者看來來，該物體除除了要附加慣慣性離心力的的作用外，還還耍附加另外外一種慣性力力的作用才能能利用牛頓第第二定律來描描述物體的運運動狀態(tài)，這這種力就是科科里奧利力，簡簡稱科氏力。例例如以一個圓圓盤為轉(zhuǎn)功參參照系，若圓圓盤繞中心軸軸轉(zhuǎn)動, 其其角速度為 ，設(shè)一物體體由旋轉(zhuǎn)中心心沿圓盤半徑徑以速度 相相對于圓盤作作勻速直線運運動，則該物物體除了受慣慣性離心力外外，還受到科科里奧利力的的作用，科氏

10、氏力的大小決決定于圓盤的的角速度 和和物體的徑向向速度 . 設(shè)科氏力以以fc表承，則其其表達式為 (103)式中 m運動物體的的質(zhì)量；物體在轉(zhuǎn)動動參照系中的的運動速度；轉(zhuǎn)動參照系系的角速度。如上所述，科里里奧利力的存存在是以徑向向速度 和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動角速度 同時存在為為先決條件的的，任一速度度為零，都不不會產(chǎn)生科里里奧利力。由式(1033)可以看出出，當轉(zhuǎn)動角角速度 一定定時，科氏力力f c正比于物體體的質(zhì)量與速速度之積m ，這正是利利用科里奧利利力測量質(zhì)量量流量的最原原始的理論依依據(jù)。在流量量測量中，使使被則流體以以某流速 流流過以 角速速度轉(zhuǎn)動的可可動管件，以以達到 與 同時存在的的條件, 此此

11、可動管件稱稱之謂流量測測量管。測量量管可以用旋旋轉(zhuǎn)方式或周周期振動方式式來實現(xiàn)所需需的 值。當當流體流過測測量管時, 相當于流過過角速度以一一定周期變化化方向的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)式測量管, 同樣會產(chǎn)產(chǎn)生科氏效應(yīng)應(yīng)，而在結(jié)構(gòu)構(gòu)上相對比較較簡單。為了求出科里奧奧利力與質(zhì)量量流量的關(guān)系系式, 以振振動式單U形形管結(jié)構(gòu)為例例，如圖1001所示測量管在電電磁驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)驅(qū)動下以固固有振動頻率率作周期性上上下振功。當當流體流過振振動管時，流流體被強制接接受管子的垂垂直動量。以以管子向上運運功的振動半半周期為例，設(shè)設(shè)其角速度為為 ，則U形形管流入側(cè)受受到的科里奧奧刊火為 (1004)式巾 m測量管中流流體的質(zhì)量，kkg；

12、 被訓(xùn)流體沉沉迪，mqq測量管向上上方運動的角角速度, rrad/s。 圖101所示示 振動式式單u形流量量測量管質(zhì)量流量的定義義為單位時間間流過通流截截面的流體質(zhì)質(zhì)量即M= (10-55)式中 m在時間t內(nèi)內(nèi)流過測量管管中流體的質(zhì)質(zhì)量，kg； tt流體流流過測量管的的時間。 對勻迎迎流體: (106)式中 l測量管長度度，m;將式(10-6)代入式式(1055)，再代人人式(104)得 fcc= 2 (1107由式(1077)得 M c (1008)由于測量管的長長度l及其轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)功的角速度度 均為常數(shù)數(shù)，故 為常常數(shù)，設(shè)k ，則 M=kfc (1109)式中 k-與測量量管長度l及及角速度 有

13、有關(guān)的常數(shù)； 其余符符號同前。由式(1099)可知，質(zhì)質(zhì)量流量M與與科里奧利力力f c成正比。當當測量管的結(jié)結(jié)構(gòu)及其振動動的驅(qū)動系統(tǒng)統(tǒng)確定后，kk則為已知常常量，測量科科氏力f cc即可求得質(zhì)質(zhì)量流量M，同同理，若分析析測量管向下下運動的振動動半周期或流流出側(cè)管內(nèi)的的流體時，也也會得到同樣樣的結(jié)論。采用不同的方法法測量科氏力力f c， 以及選選擇不問形式式的測量管結(jié)結(jié)構(gòu)和用不同同的方式使測測量管獲得需需要的轉(zhuǎn)動角角速度 , 可以制成多多種類型的科科里奧利力質(zhì)質(zhì)量流量計。只只要所有被測測流體都流過過測量管，流流體的質(zhì)量流流量就可直接接測得，對單U形振動管管, 也常利利用測量U形形管的形變量量來反

14、映科氏氏力fc的大小。因因為流體在UU形管流入側(cè)側(cè)及流出側(cè)的的流動方向相相反，所以uu形管的兩側(cè)側(cè)管受到大小小相問、方問問相反的科氏氏力?？剖狭αΦ淖饔迷斐沙蓽y量管變形形。形變量的的大小與科氏氏力成正比，即即與質(zhì)量流量量成正比。一一般的儀表檢檢測方式是，通通過位于流量量測量管兩側(cè)側(cè)的電磁感應(yīng)應(yīng)器測量在這這兩點上管子子振動的速度度，和由于管管子的變形引引起這兩個速速度信號之間間的時間差，然然后把此信號號送到轉(zhuǎn)換器器，轉(zhuǎn)換器將將信號進行處處理并轉(zhuǎn)換成成直接與質(zhì)量量流量成正比比的電信號輸輸出。若采用兩個U形形振動管作流流量測量管，兩兩根管子的振振動及變形相相位差1800，用它們們合成的變形形量來確定

15、質(zhì)質(zhì)量流量，這這樣可以提高高儀表的靈敏敏度?？评飱W利力式質(zhì)質(zhì)量流量計除除了上述采用用U形管式結(jié)結(jié)構(gòu)外，現(xiàn)有有產(chǎn)品還有直直管式質(zhì)量流流量計、LiiLee質(zhì)質(zhì)量流量計、旋旋轉(zhuǎn)陀螺式質(zhì)質(zhì)量流量計、振振動陀螺式質(zhì)質(zhì)量流量計、旋旋轉(zhuǎn)振功式及及懸臂式質(zhì)量量流量計等熱式質(zhì)量流量計計也是目前發(fā)發(fā)展較快的一一種直接式質(zhì)質(zhì)量流量計，它它的基本原理理是，利用外外熱源對被測測流體加熱，測測量因流體流流動造成的溫溫度場變化來來反映質(zhì)顯流流量。溫度場場的變化用加加熱器前后端端的溫差來表表示。被測流流體的質(zhì)量流流量M與加熱熱器前后端溫溫差 之間酌酌關(guān)系是 (10-10)式中 P加熱器的功功率； J-熱功功當量； Cp-被測

16、流體的的定壓比熱； 加熱熱器前后端的的溫度差。由上式可知, 若采用恒定定功率法, 則溫差 質(zhì)質(zhì)量流量M成成反比，測得得溫差 即可可求得M假若若采用恒定溫溫差法，則加加熱器輸入功功率P與質(zhì)量量流量成正比比，測得加熱熱器輸入功率率P則可求得得M值。在使使用上，恒定定溫差法, 無論從特性性關(guān)系或?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)測量的手段段看都較恒定定功率法簡單單，從功率表表上讀出P值值即可得到MM值,因而應(yīng)應(yīng)用廣泛。熱式質(zhì)量流量計計根據(jù)熱源及及測溫方式的的不同可分為為接觸式和非非接觸式兩種種。1接觸式熱式式質(zhì)量流量計計這種質(zhì)量流量計計的加熱元件件和測溫元件件都置于被測測流體的管道道內(nèi)，與流體體直接接觸，常常被稱為托馬馬斯流量

17、計，適適于測量氣體體的較大質(zhì)量量流量. 其其結(jié)構(gòu)原理如如圖1022所示。由于于加熱及測量量元件與被測測流體直接接接觸，因此元元件易受流體體腐蝕和磨損損，影響儀表表的測量靈敏敏度和使用壽壽命。測量高高流速、有腐腐蝕性的流體體時不宜選用用，這是接觸觸式的缺點。2非接觸式熱熱式質(zhì)量流量量計這種流量計的加加熱及測溫元元件都置于流流體管道外，與與被測流體不不直接接觸，克克服了接觸式式的缺點。熱熱式微流量行行(是非接觸觸式質(zhì)量流量量計的典型結(jié)結(jié)構(gòu))如圖1103所示示。儀表的測測量導(dǎo)管，為為薄壁小口徑徑鎳管，鎳管管外部兩側(cè)纏纏繞鉑電阻絲絲3、5作為為測溫線圈，并并作為沒量電電橋的兩臂RR1、R2。兩兩測溫線

18、圈的的中間纏繞著著錳銅絲加熱熱線圈4，作作為儀表的加加熱器。當流流體靜止時，由由于測溫線圈圈對稱地安裝裝在加熱器兩兩側(cè)且阻值相相等(各1000 左右)，因此測量量電橋處于平平衡狀態(tài)。但但當流體在鎳鎳管中流經(jīng)測測溫電阻時，就就破壞了加熱熱器的溫度場場，兩測溫線線圈處于不同同的溫度場內(nèi)內(nèi)，因而引起起電阻值發(fā)生生變化。兩測測溫線圈阻值值不等，破壞壞了電橋的平平衡。根據(jù)電電橋平衡原理理，由檢流計計8測得電阻阻值的變化, 即可求得得質(zhì)量流量MM。 圖10-2 接觸式熱熱式質(zhì)量流量量計結(jié)構(gòu)原理理 l、33熱電偶；2一加熱器器；4一功率率表圖103 非接觸式熱熱式質(zhì)量流量量計 1測量導(dǎo)導(dǎo)管; 22等溫外殼殼; 33測溫線圈圈; 4加熱線圈 77調(diào)零電阻阻; 8檢流計計熱式微流量計適適用于測量液液體和氣體的的微小質(zhì)量流流量?？蓽y00-1000cm3h的微小小液體流量和和l0Lh左有有的微小氣體體流量。 為了使使結(jié)構(gòu)簡化，有有些產(chǎn)品取消消了加熱器，只只用兩只測量量電阻，既作作加熱元件