超聲波流量計

6-7超聲波流量計

測量原理

包括傳播速度差法聲循環(huán)法時間差法多普勒法

種類能動或被動測量原理(利用的現(xiàn)象)檢測量測量方法簡稱備注流量計種類

超聲波流量計

能動型傳播速度的變化(順流、逆流)相位差時間差頻率差傳播速度差法相位差法時間差法聲循環(huán)法應(yīng)用最廣泛

上水道用上水道用射束位移接收波的感度差射束位移法

多普勒效應(yīng)漂移頻率多普勒法下水、排水用被動型流動產(chǎn)生的聲音聲音的大小聽音法與頻率有關(guān)傳感器P-B水槽渦街流量計相關(guān)式流量計節(jié)流水位上升卡門渦紊流水位透過波的振幅振幅、相位

下水、排水用，也可檢測透過時間6-7-2，傳播速度差法

將流體流動時與靜止時超聲波在流體中傳播的情形進(jìn)行比較，由于流速不同會使超聲波的傳播速度發(fā)生變化。

圖6-12超聲波傳播速度差法的原理圖，液體中超聲波的傳播速度是靜止液體中聲波傳播速度C和流體速度V的矢量和

相位差法

相位差法，就是測量順、逆兩個方向接受波的相位差，而時間差和的關(guān)系為：

相位差法和時間差法的原理可以看成是一樣的。

超聲波的頻率

C=constant?影響流體中聲速C的因素溫度圖6-13，水中聲音速度是水溫的函數(shù)，其溫度系數(shù)隨溫度不同而異

影響流體中聲速C的因素（續(xù)）水溫T（C）含鹽量S（o）水深D（米）（米）聲循環(huán)法的原理

首先從發(fā)生器T1沿順流方向發(fā)射超聲波脈沖，在接收器R1處接收這個信號。再在放大器-1處把此接受信號進(jìn)行放大，把輸出信號加到發(fā)生器T1，從T1再次發(fā)射超聲波脈沖，以后重復(fù)進(jìn)行。

正向循環(huán)頻率反向循環(huán)頻率兩個聲循環(huán)頻率之差，取此差為，

與聲速C無關(guān)。由于頻率差非常小，檢測困難6-7-2-2相位差法

相位差法本質(zhì)上和時間差法是相同的

Ft超聲波頻率，D管道直徑由于相位差和頻率成正比，頻率愈高則測量的靈敏度也高?？墒菓?yīng)該看到，頻率提高時，可能測量的最大速度值也就降低了，因此必須適當(dāng)選取頻率值。按圖6-11所示的方式使用連續(xù)波時，有可能產(chǎn)生兩個測量系統(tǒng)間的相互干擾，為了避免這點，提出了把一組超聲波發(fā)射接收器進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換的方案[19]，也提出更簡單的，不進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，同時進(jìn)行發(fā)射接收的方案

6-7-2-3聲循環(huán)法應(yīng)用

可與被測液體中的聲速無關(guān)地測量流速，現(xiàn)在作為大口徑管道用的流量計已經(jīng)得到最廣泛的應(yīng)用。

圖6-14，麥克遜流量計方框圖（附有質(zhì)量流量計測量回路）

聲循環(huán)回路（SingAroundLoop）

構(gòu)成順、逆兩個方向的聲循環(huán)回路來進(jìn)行的。這種場合，脈沖經(jīng)回路一圈的時間叫做聲循環(huán)周期，其倒數(shù)叫做聲循環(huán)頻率。

兩者的差頻為

二組方式

一組轉(zhuǎn)換方式

圖6-15，用聲循環(huán)法的超聲波流量計方框圖

超聲波收發(fā)器P1裝在管道的外壁上，使超聲波射束斜著經(jīng)過液體中傳播，在被測液體是水的場合，振蕩器用0.4兆赫或1兆赫的鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT），并使用超聲波入射角為40的膠木材料作為塑料楔。在這個楔子和管道的交界面上超聲波射束發(fā)生者射，同時產(chǎn)生影響波形變換，在管材為鋼、鑄鐵等鐵系材料時，產(chǎn)生從縱波到橫波的變換。這里特意使用橫波的利用在于，超聲波在水中的透過率，橫波比縱波高，而且橫波在水中的折射角也能取得大些。向此水中的折射角大約為23，可以把超聲波收發(fā)器P2設(shè)置在對面管壁的一個位置上，在該位置可以有效地接收從該角度發(fā)射的超聲波。兩個超聲波收發(fā)器希望制造得完全相同，因而具有相同的特性，它們既起超聲波發(fā)生器又起超聲波接收器的作用。交替轉(zhuǎn)換開關(guān)用來轉(zhuǎn)換超聲波的發(fā)射方向，一定時間使超聲波沿順流方向發(fā)射，再經(jīng)過同一時間間隔沿逆流方向發(fā)射，時間圖如圖6-16所示。

圖6-16，時間圖(u)與加減運算指令一致，對每個(v)信號得到流速測量值，作為輸出信號傳送出去

為固定延遲時間，即：超聲波經(jīng)過塑料楔、管壁和襯材傳播所需要的時間以及電信號滯后時間之和。

順逆流動與聲波夾角管道直徑6-7-2-4時間差法

用時間差法測量流速、流量，在初期是用模擬技術(shù)進(jìn)行的。近年來，由于數(shù)字式技術(shù)的進(jìn)步可以精密測量微小時間，因此，在順、逆兩方向同時發(fā)射脈沖，把這些接收波前沿的時間差用數(shù)字方式進(jìn)行測量（LEFlowmeter，LE流量計）等的文獻(xiàn)發(fā)表了[39]，并以實用化為目標(biāo)進(jìn)行了種種試驗。

典型例子是在進(jìn)行醫(yī)學(xué)實驗時，用脈沖時間法測量經(jīng)血管內(nèi)的血液流速[10]。在這種實驗中，把兩個傳感器和血管相連接，使用3兆赫的小型鈦酸鋇陶瓷振蕩器用高速交替變換的一組轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行超聲波的收發(fā)，在測量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速時線性很好。測量范圍的界限取決于飄移和噪聲，據(jù)報道四小時以內(nèi)在0.5厘米以下。6-7-2-5流量測量

管內(nèi)流速分布的影響

傳播速度差法從原理上看是測量超聲波傳播途徑上的平均流速，因此，該測量值是線平均。所以，它和一般的面平均（真平均流速）不同，其差異取決于流速的分布。

圖6-22，流量修正系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系

流速測量方法

圖6-24，小口徑管道用超聲波流量計的測量管示例

流量計的安裝

圖6-26，方形暗渠的流量測量示例

方形水渠內(nèi)充滿著水，因此即使用一條測量線進(jìn)行測量也可得到較好的精度。這種水渠一般以混凝土制的居多，但是，由于混凝土使超聲波超聲波傳播的損耗大，因此在相應(yīng)于超聲波傳播途徑部分使用不銹鋼鋼板。并在探測器的對面的壁上安裝上反射板，采用所謂V法一避免流動偏離管道對稱軸所產(chǎn)生的偏流的影響。

圖6-27，明渠溝流量測量法

水位變動不大的情況下，把探頭（超聲波收發(fā)器）固定在能給出平均流速的水深附近（離水面距離為水深60%位置），測量該位置（測量線）的速度[49]。另一方面，預(yù)先用實驗方法求出取決于水位變化的平均流速和測量流速之比，把這個值通過線性插入法來修正測量流速，通常將其作為真平均流速（流量/水流截面之值）輸出；將此值與由測量水位得到的水流截面相乘，以此乘積作為流量由流量運算器輸出。

6-7-3多普勒法

由單個粒子引起的多普勒頻移

若傳播超聲波的介質(zhì)中存在著一個單個的粒子，則它和周圍的介質(zhì)流動的規(guī)律一樣，以和介質(zhì)相同的速度V運動。假如給定超聲波收發(fā)器T、R，把發(fā)射頻率取為ft，則由于粒子的漫反射，進(jìn)入超聲波接收器的接收頻率為fr，靜止介質(zhì)中的聲速若取為C，則fr可以表示為：

聲波與流動方向夾角多普勒頻移fD與流速V成正比。

如果有：則頻移多個粒子的功率譜線

圖6-28，零交叉方式的多普勒流量計方框圖

是考慮到照射域內(nèi)的粒子集合的場合下的功率譜線密度

超聲波流量測量小節(jié)超聲波流量計有各種形式，從精度上看順序為傳播速度差法、多普勒法、聽音法適用于輔助測量或開關(guān)的監(jiān)視。典型的傳播速度差法有聲循環(huán)法和時間差法，它們都得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)在用于含有很多氣泡或懸濁物的液體時存在著穩(wěn)定度的問題。在這樣的場合用多普勒法有利，可以用來測量下水、排水、泥水等。不妨礙流動、無壓力損失的情況下進(jìn)行測量，結(jié)果受速度分布和安裝影響。超聲波流量計的使用與液體的種類和特性無關(guān)，可以測量氣體，特別是在大流量測量時其優(yōu)點非常顯著。從管道外壁可以測量管內(nèi)流動液體的流量也是其它方法所沒有的特點之一。

6-8質(zhì)量流量計

隨著溫度、壓力的變化，流體的密度會發(fā)生變化，在溫度、壓力變化大的流體中，往往是達(dá)不到測體積流量的目的。

若要測體積流量，就必須同時測出流體的溫度和壓力。在溫度和壓力變化的流體中，應(yīng)把所測的流量值換算成某標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相應(yīng)值，從而研究流量變化的狀況。但實際上溫度、壓力劇烈變動時，每次測量中都要換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值是很費事的，幾乎是不可能的，這樣，便希望用質(zhì)量流量計來測量質(zhì)量流量。

質(zhì)量流量計分類

直接檢測與質(zhì)量成比例的量，這是直接型質(zhì)量流量計。

用體積流量計和密度計組合的儀器來測量質(zhì)量流量，這是間接型質(zhì)量流量計。

還有一種儀器與使用質(zhì)量流量計目的相同，也是測流量的方式，它是檢測出管道內(nèi)流動的流體的溫度和壓力后再與體積流量計組合起來，自動換算成預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量或質(zhì)量流量的方式。這種儀器就是溫度-壓力自動補償流量計。當(dāng)管道中流動的流體的組成改變從而密度變化時，這種儀器就不能正確測量質(zhì)量流量，所以她不是真正的質(zhì)量流量計

6-8-1直接型質(zhì)量流量計

量熱式質(zhì)量流量計：在流動的氣體中安裝電加熱絲，在其上流處和下流處放置溫度檢測器，氣體通過電熱部分被加熱，通過測出所產(chǎn)生的溫度變化來求流量，這就是量熱式流量計的測量原理

令流動氣體的質(zhì)量流量為G，氣體的定壓比熱為CP，上流和下流兩側(cè)氣體的溫差為，加熱電功率為E，熱功當(dāng)量為J，則下列關(guān)系式成立：

（6-8-1）

如果流動氣體的比熱是恒定的，則氣體的質(zhì)量流量與加熱電功率成正比，與溫度差成反比。利用此關(guān)系就可以測量質(zhì)量流量

對于空氣、氮氫等氣體，即使溫度和壓力都改變，其定壓比熱也幾乎是恒定的，故上式的關(guān)系近似地成立。但對混合氣體來說，隨著組分的變化，比熱往外也發(fā)生很大的變化，因而上式不能成立。這樣的流量計不能叫真正的質(zhì)量流量計。

在量熱式質(zhì)量計中也有所謂即使流體組分和狀態(tài)變化也不受影響的，例如有邊界層質(zhì)量流量計（boundarylayermassflowmeter）等。據(jù)說它不僅能用于測氣體，也能用于測液體，但嚴(yán)格地說，它會受到流體的比熱、導(dǎo)熱率或粘度等方面的影響，這種流量計雖比過去的量熱式流量計有所改進(jìn)，但原理上卻是相同的流量計。

差壓式質(zhì)量流量計差壓式質(zhì)量流量計圖6-8-1，有分流管的孔板計

圖6-8-2，兩孔板方式的差壓式質(zhì)量流量計

在官道中安裝孔板，在孔板的上流和下流兩側(cè)設(shè)置分流管，在此分流管的途中設(shè)置定量流泵，使一定流量q的循環(huán)流流過。讓我們研究此時孔板前后的壓力差。

圖6-8-1中是其配管圖，先討論朝圖上箭頭方向流過一定流量q時的情況。在從孔板的下流一側(cè)到上流一側(cè)通過分流管有體積流量為q的流動時，則在主流管道中，除了體積流量Q按箭頭所指的方向流動外，還加上固定的循環(huán)流q，所以，通過孔板流動的流體的體積流量應(yīng)為Q+q。在此情況下通過孔板前后產(chǎn)生的壓力差為，與孔板流量計測量原理相同，可表為

討論循環(huán)流反向流動的情況，也就是從孔板的確上流側(cè)流向下流側(cè)、并通過分流管產(chǎn)生體積流量q的流動情況。在此情況下，主流管道中流動的體積流量的確一部分通過分流管流動，因為在分流管流動的體積流量為q，則有通過孔板流動的流體的體積流量應(yīng)為（Q-q）。在此情況下通過孔板前后產(chǎn)生的壓力差，與前相同，為

在主流管道上安裝構(gòu)造和尺寸都完全相同的兩個孔板A，B。從主流管道的上流側(cè)流入體積流量Q一直流到下流側(cè)。但在中途，流過每個孔的流動上都并聯(lián)分流管道，在分流管道中都安裝定流量泵，使其產(chǎn)生方向相反的恒定流量q的循環(huán)流。因此，通過各個孔板的流量Q不相等，通過孔板A的流量為（Q-q），通過孔板B的體積流量為（Q+q）。

則孔板A、B前后產(chǎn)生的壓力的差就與主流管道中流體的質(zhì)量流量成正比。

西蒙茲（Simmonds）質(zhì)量流量計是把循環(huán)流的流量q設(shè)計得比主流管道流量的最大值還要大。所以通過孔板A的流動與通過孔板B的流動的方向相反。因此，若令孔板A的上流側(cè)壓力為P1，下流側(cè)的壓力為P2（孔板B的上流側(cè)壓力），則P2>P1圖6-8-3，兩孔板式的差壓式質(zhì)量流量計試驗結(jié)果圖6-8-4，四孔板式的差壓式質(zhì)量流量計

測量比重為0.74的汽油和比重為1.54的四氯化碳的質(zhì)量流量的結(jié)果

密度變化不影響結(jié)果為了使Q<q，所以當(dāng)應(yīng)測量的主流管道的流量Q變大時，定流量泵的容量就要加大，而且要用兩臺泵，從而將它改進(jìn)為四個孔板的方式，其原理結(jié)構(gòu)

這種形式與惠斯登電橋的構(gòu)造相同，從主流管道流入的流量分成兩路，每個分流管道如圖所示，分別安裝了孔板A、B和C、D。而且在這兩分流管的中點由安裝定流量泵的管道使他們相互連接起來，四個孔板的構(gòu)造、尺寸是相同的，由定流量泵按箭頭方向送入恒定流量q的流體。

如果通過孔板A的體積流量為I，此時通過孔板A前后的壓力差為，可得下列關(guān)系式：

同樣，對孔板B，因為流量為Q-I，所以壓差為

孔板C的流量為Q+I，壓差

孔板D的流量為Q-I-q，壓差為6-8-2Li-Lee質(zhì)量流量計

測量科里奧利力的質(zhì)量流量計

圖6-8-5，Li-Lee質(zhì)量流量計原理

管道以O(shè)點為中心，以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，流體通過管道從中心O向外邊流動。若從O點測量，旋轉(zhuǎn)管道的長為,管道的橫截面積為F，流動流體的流速為，流體的密度為，科里奧利力加速度為a，則有

a=2wv在距離中心O為r處體積為（Fdr），的流體要產(chǎn)生加速度a所需的力矩dTr，則dTr可表為：

因此在旋轉(zhuǎn)通道中的總流體，要產(chǎn)生加速度所必需的力矩T為

圖6-8-6，Li-Lee質(zhì)量流量計構(gòu)造

實際試制的這類質(zhì)量流量計的內(nèi)部構(gòu)造如圖6-8-6所示，流量計本體的流入部分和流出部分用旋轉(zhuǎn)密封套與主管道連接，并以此旋轉(zhuǎn)密封部分作為旋轉(zhuǎn)軸承，測量儀器本體是用同步驅(qū)動馬達(dá)以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)著。由流入口流入的流體通過旋轉(zhuǎn)管之后流進(jìn)直角彎管內(nèi)，然后再往流出口流去。此時，在轉(zhuǎn)矩管上受大上述力矩T的作用，產(chǎn)生與T成正比的扭轉(zhuǎn)便角，此偏角由電方法檢測再通過滑環(huán)送到外部。

此種質(zhì)量流量計，只是在實驗室中試制，目前還未用做工業(yè)上的測量儀器

6-8-3角動量式質(zhì)量流量計

圖6-8-7，動量式GE質(zhì)量流量計

測天然氣體等質(zhì)量流量的儀器

在流量計內(nèi)，把周圍開有流動孔的轉(zhuǎn)子及同它的構(gòu)造幾乎相同的定子安裝在同一軸上，在管道內(nèi)流動的流體從轉(zhuǎn)子的流動孔流到定子的流動孔然后再從流出口流出去。用同步馬達(dá)使轉(zhuǎn)子以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，這使流動孔中流動的流體隨之作旋轉(zhuǎn)運動，而定子不作旋轉(zhuǎn)運動，由轉(zhuǎn)子使其旋轉(zhuǎn)的流體流進(jìn)定子后，給它施加一個力矩，定子的任務(wù)就是檢測這個力矩的大小。

如果轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為，在dt微小時間內(nèi)通過轉(zhuǎn)子流過的流體質(zhì)量為dM，dM流體對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的慣性矩為dI，則質(zhì)量為dM的流體的角動量dH為：

dH=dI若與dM流體的慣性矩有關(guān)的等價旋轉(zhuǎn)半徑r則：

當(dāng)具有這樣角動量的流體流入定子時，就產(chǎn)生一個力矩T，根據(jù)牛頓第二定律可知，角動量對時間的變化就是力矩，因而如果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角動量全部作用在定子上面的話，則：

陀螺式流量累計器

圖6-8-8，陀螺

圖6-8-9，CE質(zhì)量流量計的誤差曲線

陀螺繞Z軸以角速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給它施以一個相對Y軸的力矩時，陀螺又會繞X軸旋轉(zhuǎn)。繞X軸旋轉(zhuǎn)的運動叫進(jìn)動。若陀螺繞Z軸旋轉(zhuǎn)的慣性力矩為,進(jìn)動的角速度為，則有下列關(guān)系：

分母是常數(shù)I是流量計的指示讀數(shù)，G是正確的質(zhì)量流量值。

把最大流量作為100%時的流量比。

陀螺的進(jìn)動角速度就與質(zhì)量流量成正比，若將此進(jìn)動的旋轉(zhuǎn)次數(shù)累計起來的話，偏可求出通過流量計流體的質(zhì)量流量的累計值

6-8-4陀螺式質(zhì)量流量計

圖6-8-10，陀螺式質(zhì)量流量計原理

圓形管道內(nèi)流體繞Z軸慣性矩

流體質(zhì)量對Ｙ軸的力矩

繞Ｘ軸旋轉(zhuǎn)（即進(jìn)動）

質(zhì)量流量圖6-8-11，陀螺式質(zhì)量流量計的配管

在這個圓形管道的入口處和出口處用旋轉(zhuǎn)密封套連接。它又接在柔軟的連接管上，將旋轉(zhuǎn)密封套這部分作為轉(zhuǎn)軸，而用馬達(dá)帶動流量計本體以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)。這種形式就是預(yù)先給出恒定角速度的進(jìn)動運動。因此，可以通過檢測因圓形管道中流動流體的旋轉(zhuǎn)恒定角速度的進(jìn)動所產(chǎn)生對Ｙ軸的力矩，求出質(zhì)量流量。

力矩是通過安裝在柔軟連接管上的電阻線應(yīng)變計將它引到外部而檢出的

6-8-5葉輪式質(zhì)量流量計

圖6-8-14，葉輪式質(zhì)量流量計內(nèi)部構(gòu)造

前后安裝兩個葉片角不同的葉輪用彈簧把它們連接起來形成一個整體

在葉片安裝成角的葉輪上受到質(zhì)量流量為G、流速為v的流體的碰撞，產(chǎn)生力矩T，根據(jù)流體動量定律，T與（）成正比，這就是說葉片安裝角度大的葉輪力矩就大。

兩個葉片的安裝角度不同，受到流動流體作用的力矩就有差別，兩葉輪間的偏移角就是兩葉輪力矩之差與相連接彈簧的扭力矩平衡時的角度，兩葉輪作為一個整體保持此偏移角，以與流速v成正比的角度旋轉(zhuǎn)。若兩葉片安裝角度分別為1和2，此兩葉片受到的力矩分別為T1和T2，那么，因為對兩個葉輪來說質(zhì)量流量G和速度v都是相同的，所以可把他們的關(guān)系寫為：

式中K1和K2，取決于流量計和葉輪形狀、尺寸的裝置常數(shù)。由上式可以求出兩葉輪力矩之差。

若力矩差使連接葉輪的彈簧產(chǎn)生扭矩。兩葉輪間的扭角，與力矩差成正比，故當(dāng)兩葉輪的形狀、尺寸和彈簧的彈性系數(shù)確定以后，和Gv成正比。此時若把該比例常數(shù)取做，則應(yīng)有關(guān)系：

由于葉輪是一個整體，此整體是以與流速v成正比的角速度旋轉(zhuǎn)

若葉輪旋轉(zhuǎn)偏角需要花費的時間為t，則有

t=/

t=K5G

流量計內(nèi)的葉輪，在兩個葉輪間旋轉(zhuǎn)一個偏移角所需要的時間t是與管道中流動流體的質(zhì)量流量G成正比的。因而只需要測量此時間t，就可求出質(zhì)量流量。

測量時間的方法是用分別安裝在葉輪上的信號發(fā)生器，使在檢波線圈中產(chǎn)生脈沖信號、通過計數(shù)該脈沖的時間來求出t。如圖6-8-14所示，由第一葉輪產(chǎn)生的脈沖使計數(shù)門打開，開始對從信號發(fā)生器送來的信號計數(shù)，由另一個葉輪產(chǎn)生的脈沖使計數(shù)門關(guān)閉，停止計數(shù)。根據(jù)此計數(shù)值可求出時間t。

6-8-6間接型質(zhì)量流量計

間接型質(zhì)量流量計是由直接型質(zhì)量流量計以外的流量計與密度計組合而成的，是采用運算機構(gòu)間接測質(zhì)量流量的流量計，其形式可分為：1）檢測的流量計和密度計的組合方式2）檢測Q的流量計和密度計的組合方式3）檢測流量計和檢測Q流量計的組合方式其中，為流體密度、Q為體積流量。以下分別舉例說明這三種形式。

6-8-6-1檢測的流量計和密度計的組合方式

能檢測管道中流動流體的的流量計有節(jié)流流量計和動壓流量計。把它們與密度計組合起來就成為能間接求出質(zhì)量流量的質(zhì)量流量計

運算器流量計密度計xy圖6-8-15，檢測器與密度計組合的圖6-8-16，檢出動量的流量計與密度計

質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

組合成的質(zhì)量流量計的構(gòu)造

密度的檢測

圖6-8-16，檢出動量的流量計與密度計組合成的質(zhì)量流量計的構(gòu)造

圖6-8-16即是后者之例。密度的檢測是用線密度計，它如圖所示，S形管道的流入處和流出處用波紋管等軟管與外部管道連接，此S形管道在其中心部分有個轉(zhuǎn)軸，使地可以在包含S形管道的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。流入的流體在S形管道的端部彎管處方向變化90，因此產(chǎn)生對S形管軸的力矩，令為T1則：

（6-8-39）

是一個與流體在端部彎管改變90的方向產(chǎn)生的動量變化而出現(xiàn)的力成正比的量。R1是伴隨著流體動量變化產(chǎn)生的力的作用點與轉(zhuǎn)軸間的距離，即臂長。

同樣，在流出處的彎管流動也改變方向，產(chǎn)生力矩T2，故對轉(zhuǎn)軸的力矩T為：

R2是與流出處彎管有關(guān)的臂長

只要流量計的構(gòu)造、尺寸一經(jīng)決定，R1和R2就是恒定的值，則T就與成正比。

力矩檢測機構(gòu)

S形管道受前述力矩T的作用而旋轉(zhuǎn)，通過角偏移檢測器將旋轉(zhuǎn)角度變成電壓，再由電壓驅(qū)使力矩馬達(dá)轉(zhuǎn)動，通過扭力軟管就起到了使S形管回復(fù)原來位置的作用。如果S形管回到原來的位置，則從角偏移檢測器輸出的確電壓為零，扭力馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動。此時扭力馬達(dá)的軸的旋轉(zhuǎn)角與力矩成正比，從而由式（6-8-40)可知，它與成正比。再在連接扭力馬達(dá)的軸上安裝電位計A，就可得到與扭力馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)角成正比的電壓E1。

圖6-8-17流體密度的檢測流體密度的檢測是象圖6-8-16所示的那樣，最好是能檢測出在力矩檢測器處的流體密度，故應(yīng)在S形管的中心處測量。線源有作為標(biāo)準(zhǔn)用的和檢測用的二個。檢測用的線透過旋轉(zhuǎn)楔板和流體之后送入線檢測部分。檢測用的和標(biāo)準(zhǔn)用的線交替地送入線檢測部分，為了使接受的線信號的強度相等，用自動平衡裝置使楔板轉(zhuǎn)動，它的旋轉(zhuǎn)角便移就與密度成正比。

在密度檢測器旋轉(zhuǎn)楔板的軸上，如圖6-8-18所示的那樣安裝電位計B，便可得到與楔板旋轉(zhuǎn)角成正比的電壓E2。從圖中可知E2和E1成正比，也與流體的密度成正比，所以：

如果求出了E2的平方根，就可求出，從而得到質(zhì)量流量。E2平方根的計算是由平方根運算指示電位計C，D來進(jìn)行的。

圖6-8-18，質(zhì)量流量運算回路

6-8-6-2Q檢測器和密度計的組合方式

能用來檢測管道中流動流體的體積流量Q的儀器有容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計、葉輪流量計等。把這些流量計與檢測流體密度的密度計組合就可以測量質(zhì)量流量。

圖6-8-19，Q檢測器與密度計組合的質(zhì)量流量計的構(gòu)造由容積流量計和浮子式密度計組合的[12]、渦輪流量計和浮子式密度計組合的[13]、葉輪流量計和葉輪式密度計組合的[12]、電磁流量計和利用放射性同位素的密度計組合的[12]，超聲波流量計和音響阻抗式密度計組合的[14]質(zhì)量流量計

圖6-8-20，葉輪流量計的葉輪式密度計

檢測Q的儀器是葉輪流量計?？梢栽谝后w和氣體中應(yīng)用。它的構(gòu)造是利用流體流動時在流量計的圓管形容器內(nèi)產(chǎn)生渦流，由此帶動葉輪旋轉(zhuǎn)的原理。如圖6-8-20(a)所示，在管道中插入使流體分成兩路的分流板，并裝上活瓣來調(diào)整

其中一路的流量，適當(dāng)改變活瓣的角度就可以調(diào)節(jié)葉輪旋轉(zhuǎn)角速度和體積流量間的關(guān)系。密度計也采用葉輪式。象（b）圖所示，把流經(jīng)管道的流體進(jìn)行分流，并把流體引入密度測量室，測量室有以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的增壓葉輪（螺旋漿）。這樣由螺旋漿使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動，其離心力使壓力增大，測出此增大的壓力就可以求出密度。在差壓檢測部分的一側(cè)導(dǎo)管中是流體的靜壓，另一側(cè)導(dǎo)管的壓力是在此靜壓上附加了由離心力引起的壓力。此差壓可以看成由離心力產(chǎn)生的壓力增加。若螺旋漿的旋轉(zhuǎn)角速度為，流體的密度為，則離心力與成正比，如是恒定的，則差壓和流體的密度成正比。這種得到質(zhì)量流量的方式是把流量檢測器和密度檢測器的信號變成電信號再用運算回路求出此兩信號的乘積。

超聲波流量計和超聲波密度計組合的質(zhì)量流量計

在管道兩側(cè)的壁上相對地安裝一個超聲波發(fā)生器和兩個接收器。當(dāng)流體不流動時，從發(fā)生器發(fā)射的超聲波被對面的兩個接受器接收，分別得到強度相同的信號。此時差動放大器的輸出為零。當(dāng)流體在管道中以速度v流動時，則超聲波傳播方向產(chǎn)生便移，如果管道直徑為D，超聲波在流體中的傳播速度為cs,那么在安裝接收器的那側(cè)管壁處超聲波的偏移距離L就可表示為：

在管壁上還安裝了一個與流體接觸的，檢測密度用的超聲波發(fā)生器，給它提供固定電壓使其產(chǎn)生共振振動，檢測出它的輸出E2。那么E2應(yīng)與成正比，若求出E1和E2的乘積，則有：

只需測出E1，E2即可測出質(zhì)量流量。此種方式的優(yōu)點是當(dāng)檢測的流量受到cs的影響時，被檢測的密度也受到cs的影響，兩種影響恰好抵消，結(jié)果與無關(guān)。

6-8-6-3

檢測器和Q檢測器組合方式節(jié)流流量計那樣的檢測器和容積流量計及渦輪計那樣的Q檢測器組成的儀器可以求出質(zhì)量流量。

Qxyx/y運算器6-8-6-4溫度-壓力自動補償流量計

當(dāng)管道、流體的種類確定以后，還有可以把檢測的流體的體積流量以及檢測的流體的溫度、壓力，自動換算成質(zhì)量流量或換算成預(yù)先給定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量的測量方法。檢測溫度、壓力比檢測密度容易，利用檢測溫度，壓力的檢測器與體積流量計的組合、自動換算成質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量的流量計，即溫度、壓力自動補償流量計，被廣泛使用了。

當(dāng)流過管道的流體種類和組成改變時，這種形式的流量計測不出正確的流量，所以不能叫做真正的質(zhì)量流量計。

溫度-壓力自動補償液體：忽略壓力引起的密度變化，僅考慮溫度引起的密度變化。因次，必須了解液體密度和溫度的關(guān)系。當(dāng)溫度變化范圍大時，溫度和密度的關(guān)系不能看成是線性，自動補償復(fù)雜。

低壓氣體：利用理想氣體定律補償。高壓氣體：偏離理想氣體方程，考慮壓縮系數(shù)的變化，自動補