傳感器與檢測(cè)技術(shù)（第5版）課件 7.7 質(zhì)量流量計(jì)

7.7質(zhì)量流量計(jì)直接式：檢測(cè)裝置的輸出信號(hào)可以直接表示質(zhì)量流量的大小。間接式：通過(guò)檢測(cè)兩個(gè)以上有關(guān)質(zhì)量流量的物理量，然后通過(guò)計(jì)算得出質(zhì)量流量。7.7質(zhì)量流量計(jì)

7.7.1直接式質(zhì)量流量計(jì)

7.7.2間接式質(zhì)量流量計(jì)7.7.1直接式質(zhì)量流量計(jì)直接式質(zhì)量流量常用檢測(cè)方法：差壓式質(zhì)量流量計(jì)、渦輪式質(zhì)量流量計(jì)、動(dòng)量式質(zhì)量流量計(jì)、熱式質(zhì)量流量計(jì)、科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)等1.熱式質(zhì)量流量計(jì)利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量，當(dāng)前主要用于測(cè)量氣體。熱式流量?jī)x表用得最多有兩類：熱分布式流量計(jì)（thenmaIprohIefIowmeter）利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)。曾稱量熱式質(zhì)量流量計(jì)；熱式質(zhì)量流量計(jì)利用熱消散（冷卻）效應(yīng)的金氏定律（KingsIaw），又由于結(jié)構(gòu)上檢測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi)，也稱浸入型（immersiontype）或侵入型（intrusiontype）。（1）熱分布式熱式質(zhì)量流量計(jì)熱分布式質(zhì)量流量計(jì)工作原理1流量傳感器2繞組3測(cè)量管4轉(zhuǎn)換器5恒流電原4放大器質(zhì)量流量cp——被測(cè)氣體的定壓比熱容；

A——測(cè)量管繞組（即加熱系統(tǒng)）與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；

K——儀表常數(shù)；

ΔT——兩組線圈平均溫度差。質(zhì)量流量與繞組溫度關(guān)系測(cè)量管加熱方式大部分產(chǎn)品采用兩繞組或三繞組線繞電阻；除管外電阻絲繞組加熱方式外還有利用管材本身電阻加熱方式。測(cè)量管形狀有直管形，還有∏字形結(jié)構(gòu)，為了獲得良好的線形輸出，必須保持層流流動(dòng)，測(cè)量管內(nèi)徑D設(shè)計(jì)得很小而長(zhǎng)度L很長(zhǎng)，即有很大L/D比值，流速低，流量小。熱分布式質(zhì)量流量計(jì)按測(cè)量管內(nèi)徑分：

細(xì)管型（也有稱毛細(xì)管型）：測(cè)量管內(nèi)徑僅0.2~0.5mm，極易堵塞，適用于凈化無(wú)塵氣體。

小型：只有直管型，內(nèi)徑為4mm；（2）浸入式熱式質(zhì)量流量計(jì)金氏定律的熱絲熱散失率表述各參量間關(guān)系式中，H/L——單位長(zhǎng)度熱散失率（J/m?h）；

ΔT——熱絲高于自由流束的平均升高溫度（K）；

λ——流體的熱導(dǎo)率（J/h?m?K）；

cV——定容比熱容（J/kg?k）；

ρ——密度（kg/m3）；

U——流體的流速（m/h）；

d——熱絲直徑（m.）。浸入式質(zhì)量流量計(jì)浸入式熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理基于加熱探頭與氣體之間的對(duì)流傳熱將熱力學(xué)第一定律應(yīng)用于自加熱的圓柱狀傳感器，分析加熱傳感器的熱擴(kuò)散效應(yīng)根據(jù)熱平衡原理推導(dǎo)加熱傳感器的熱平衡公式，建立加熱功率與氣體流速、物性參數(shù)的具體函數(shù)關(guān)系為

為探頭的加熱功率；Tw和Tc分別為加熱探頭表面和流體的溫度；A、B由被測(cè)氣體的溫度壓力組分以及傳感器探頭的尺寸大小等參數(shù)決定的，針對(duì)特定傳感器當(dāng)被測(cè)氣體物性參數(shù)保持不變時(shí)，A、B可以被視為常數(shù)；

為被測(cè)流體的質(zhì)量流量，S為管道橫截面積；指數(shù)n僅在一定條件范圍內(nèi)保持不變，當(dāng)氣體溫度、物性參數(shù)等參數(shù)發(fā)生較大變化時(shí)，其值也會(huì)發(fā)生改變

若被測(cè)氣體的物性參數(shù)保持不變的話，則被測(cè)流體的質(zhì)量流量是測(cè)量探頭的加熱功率或探頭之間溫差的單值函數(shù)。若保持加熱功率或溫差不變，則可以建立質(zhì)量流量與溫差或加熱功率之間的函數(shù)關(guān)系式，其函數(shù)關(guān)系為根據(jù)測(cè)量方法的不同，可以分為恒溫差型和恒功率型兩種恒溫差型若保持

比值不變，則質(zhì)量流量是測(cè)速探頭加熱電流的單值函數(shù)。通過(guò)檢測(cè)測(cè)速探頭的加熱電流值，就可以計(jì)算出被測(cè)氣體的質(zhì)量流量

恒功率型若保持加熱功率不變，則質(zhì)量流量是兩個(gè)傳感器探頭之間溫差的單值函數(shù)。為加熱元件提供恒定的加熱功率，流體流動(dòng)帶走加熱元件的熱量，使得加熱元件的溫度減小。測(cè)量加熱元件溫度與流體溫度之間的溫度差，就可以計(jì)算得到質(zhì)量流量

兩種方法比較測(cè)量原理恒溫差原理恒功率原理響應(yīng)速度快，約1~3秒慢，約10~15秒流量范圍較小，適用于低流速較大，可測(cè)高流速探頭溫度低，探頭溫差較低高，零流量時(shí)溫差較大長(zhǎng)期穩(wěn)定性高,探頭溫度較低不易老化低,探頭溫度較高易老化適用介質(zhì)干燥氣體含有一定水分的氣體（3）安裝注意事項(xiàng)①熱分布式：大部分可為任何姿勢(shì)（水平、垂直或傾斜）安裝，有些儀表只要安裝好后在工作條件壓力、溫度下作電氣零點(diǎn)調(diào)整。大部分制造廠會(huì)對(duì)此就安裝姿勢(shì)影響和安裝要求作出說(shuō)明。應(yīng)用于高壓氣體時(shí)傳感器則選擇水平安裝，便于做到調(diào)零的零偏置。②浸入式：大部分流量計(jì)性能不受安裝姿勢(shì)影響。在低流速測(cè)量時(shí)因受管道內(nèi)氣體對(duì)流的熱流影響，使安裝姿勢(shì)顯得重要。因此在低和非常低流速流動(dòng)時(shí)要獲得精確測(cè)量，必須遵循制造廠依據(jù)儀表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而定的安裝建議。2.科里奧利質(zhì)量流量計(jì)利用流體在直線運(yùn)動(dòng)的同時(shí)處于一旋轉(zhuǎn)系中，產(chǎn)生與質(zhì)量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質(zhì)量流量?jī)x表。科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)：精度高、量程比大、動(dòng)態(tài)特性好、無(wú)直管段要求、壓力損失大等。(1)科里奧利力的基本原理當(dāng)質(zhì)量為m的質(zhì)點(diǎn)以速度υ在對(duì)p軸作角速度ω旋轉(zhuǎn)的管道內(nèi)移動(dòng)時(shí)，質(zhì)點(diǎn)受到兩個(gè)分量的加速度及其力。 ①法向加速度：即向心力加速度αr，其量值等于ω2r，方向朝向P軸。 ②切向加速度：即科里奧利加速度αt，其量值等于2ωυ，方向與法向垂直。科氏力的原理（2）科氏質(zhì)量流量計(jì)的組成(2)科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的組成組成：流量傳感器＋變送器科里奧利質(zhì)量流量傳感器（3）科氏質(zhì)量流量計(jì)的工作原理科里奧利力當(dāng)密度為ρ的流體在旋轉(zhuǎn)管道中以恒定速度υ流動(dòng)時(shí)，任何一段長(zhǎng)度Δx的管道都將受到一個(gè)ΔFc的切向科里奧利力。由于質(zhì)量流量為qm=ρυA，所以直接或間接測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)流體產(chǎn)生的科里奧利力就可以測(cè)的得質(zhì)量流量，這是科里奧利質(zhì)量流量計(jì)的基本原理。通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生科里奧利力是困難的，目前產(chǎn)品均代之以管道振動(dòng)產(chǎn)生的科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量管等效運(yùn)動(dòng)圖科氏質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量管受力原理圖

AD1段和D2B段的流體方向相反，故受到的科氏力方向相反，D1CD2段流體流速與平行，故不產(chǎn)生科氏力

段產(chǎn)生的扭矩

對(duì)其積分在該扭矩下，測(cè)量管發(fā)生扭轉(zhuǎn)角為,因?yàn)楹苄。韵到y(tǒng)的扭轉(zhuǎn)變形在其彈性限度之內(nèi)，因而有設(shè)是流量管在振動(dòng)方向的線速度，同時(shí)，，因?yàn)楹苄。?/p>

沒(méi)有流量時(shí)

有流量時(shí)計(jì)算公式時(shí)間差質(zhì)量流量；頻率流體密度。Δφ為兩路信號(hào)的相位差ω為信號(hào)角頻率fs為采樣頻率密度檢測(cè)原理振蕩頻率與密度的關(guān)系（2）安裝使用注意事項(xiàng)①流量傳感器安裝一般要求

按照制造廠規(guī)定的安裝方法和趨避禁止事項(xiàng)。安裝設(shè)計(jì)時(shí)盡可能使其有長(zhǎng)的使用壽命②流量傳感器安裝姿勢(shì)和位置

一般裝于自下而上流動(dòng)的垂直管道較為理想；安裝位置必須使測(cè)量管內(nèi)充滿液體。③截止閥和控制閥的安裝7.7質(zhì)量流量計(jì)

7.7.1直接式質(zhì)量流量計(jì)

7.7.2間接式質(zhì)量流量計(jì)7.7.2間接式質(zhì)量流量計(jì)原理：在管道上串聯(lián)多個(gè)檢測(cè)元件，建立各自的輸出信號(hào)與流體的體積流量和密度等之間的關(guān)系，通過(guò)聯(lián)立求解方程間接推導(dǎo)出流體的質(zhì)量流量。間接式質(zhì)量流量常用檢測(cè)方法：差壓式流量計(jì)與密度計(jì)的組合；體積流量計(jì)和密度計(jì)的組合；差壓流量計(jì)或靶式流量計(jì)與體積流量計(jì)的組合（1）差壓式流量計(jì)與密度計(jì)的組合差壓式流量計(jì)的差壓輸出值與ρqv2成正比，配合密度計(jì)進(jìn)行