高質量流量計工作原理

1、質量流量計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)和科學研究中，僅 測量體積流量是不夠的，由于產(chǎn)品質量控制、物料配比測定、成本核算以及生產(chǎn) 過程自動調節(jié)等許多應用場合的需要，還必須了解流體的質量流量。質量流量計的測量方法，可分為間接測量和直接測量兩類。間接式測量方法 通過測量體積流量和流體密度經(jīng)計算得出質量流量， 這種方式又稱為推導式；直 接式測量方法則由檢測元件直接檢測出流體的質量流量。1 間接式質量流量計間接式質量流量測量方法，一般是采用體積流量計和密度計或兩個不同類型 的體積流量計組合，實現(xiàn)質量流量的測量。常見的組合方式主要有3種。(1) 節(jié)流式流量計與密度計的組合由前

2、述知，節(jié)流式流量計的差壓信號 P正比于qv2，如圖1所示，密度計 連續(xù)測量出流體的密度 ，將兩儀表的輸出信號送入運算器進行必要運算處理,即可求出質量流量為(1-1 )靶式流量計的輸出信號與 qv2也成正比關系，故同樣可按上述方法與密度計組合 構成質量流量計。密度計可采用同位素、超聲波或振動管式等連續(xù)測量密度的儀 表。J 1L密度計差壓計口匚運算器一必圖1節(jié)流式流量計與密度計組合(2) 體積流量計與密度計的組合如圖2所示，容積式流量計或速度式流量計，如渦輪流量計、電磁流量計等, 測得的輸出信號與流體體積流量qv成正比，這類流量計與密度計組合，通過乘 法運算，即可求出質量流量為(1-2)(3) 體

3、積流量計與體積流量計的組合如圖3所示，這種質量流量檢測裝置通常由節(jié)流式流量計和容積式流量計或 速度式流量計組成，它們的輸出信號分別正比于和通過除法運算， 即可求出質量流量為(1-3)勺皇=a右圖3節(jié)流式流量計和其他體積流量計組合圖2體積流量計和密度計組合除上述幾種組合式質量流量計外,在工業(yè)上還常采用溫度、壓力自動補償式質量流量計。由于流體密度是溫度和壓力的函數(shù)， 而連續(xù)測量流體的溫度和壓力 要比連續(xù)測量流體的密度容易，因此，可以根據(jù)已知被測流體密度與溫度和壓力 之間的關系，同時測量流體的體積流量以及溫度和壓力值， 通過運算求得質量流 量或自動換算成標準狀態(tài)下的體積流量。 但這種測量方式不適合高

4、壓或溫度變化 圍大的情形，因為在此條件下自動補償檢測出來的溫度、壓力很困難2.直接式質量流量計直接式質量流量計的輸出信號直接反映質量流量，其測量不受流體的溫度、 壓力、密度變化的影響。直接式質量流量計有許多種形式(1) 熱式質量流量計熱式質量流量計的基本原理是利用外部熱源對管道的被測流體加熱， 熱能隨 流體一起流動，通過測量因流體流動而造成的熱量（溫度）變化來反映出流體的 質量流量。如圖4所示，在管道中安裝一個加熱器對流體加熱， 并在加熱器前后的對稱 點上檢測溫度。設Cp為流體的定壓比熱，T為測得的兩點溫度差，則根據(jù)傳熱(1-4)規(guī)律，對流體的加熱功率P與兩點間溫差的關系可表示為 由上式可寫出

5、質量流量的方程式(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熱式質量流量計結構示意圖當流體成分確定時，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測出溫差 T便可求出質量流量；若采用恒定溫差法，即保 持兩點溫差 T不變，則通過測量加熱的功率 P也可以求出質量流量。由于恒定 溫差法較為簡單、易實現(xiàn)，所以實際應用較多。這種流量計多用于較大氣體流量 的測量。為避免測溫和加熱元件因與被測流體直接接觸而被流體玷污和腐蝕，可采用非接觸式測量方法，即將加熱器和測溫元件安裝在薄壁管外部， 而流體由薄壁管 部通過。非接觸式測量方法，適用于小口徑管道的微小流量測量

6、。 當用于大流量 測量時，可采用分流的方法，即僅測量分流部分流量，再求得總流量，以擴大量 程圍。圖5為熱式質量流量計的外觀圖圖5熱式質量流量計外觀圖(2) 差壓式質量流量計差壓式質量流量計是以馬格努斯效應為基礎的流量計， 實際應用中利用孔板 和定量泵組合實現(xiàn)質量流量測量。常見的有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結 構。雙孔板結構形式如圖6所示，在主管道上安裝結構和尺寸完全相同的兩個孔 板A和B,在分流管道上裝置兩個流向相反、流量固定為 q的定量泵，差壓計連 接在孔板A入口和孔板B出口處。設主管道體積流量為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與流體質量流量qm qv成正比,測出壓差P便可以求出流體質量流量由于雙孔板質量流量計的定量泵流量必須大于主管道流量，并且要用兩個定量泵，在主管道流量較大時比較困難。 因此，提出采用一個定量泵和四個孔板組 合的改進方案。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,兩個支路間安裝一個定量泵，流量為q。

8、設流過孔板A的體積流量為qA，流過孔板B C、D的體積流量如圖7中所示。用與上述計算(1-9)(1-10)相同的方法，在q qv時，可求出如下關系如果q qv，則變成如下關系葉恥二4問幽v可見，四孔板與定量泵組合結構不論 q qv或q qv均可測量這種測量方法，適于測量液體的質量流量，測量圍為0.5250 kg/h，量程 比為20: 1,測量準確度可達0.5 %圖7四孔板差壓式質量流量計結構原理圖（3）科里奧利質量流量計科里奧利質量流量計（簡稱科氏力流量計）是一種利用流體在振動管中流動而產(chǎn)生與質量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質量流量的儀表?？剖狭α髁坑嫿Y構有多種形式，一般由振動管與轉

9、換器組成。振動管（測量 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形管式的質量流量計為例介紹。圖8科氏力流量計測量原理圖8所示為U形管式科氏力流量計的測量原理示意圖。U形管的兩個開口端 固定，流體由此流入和流出。U形管頂端裝有電磁激振裝置，用于驅動 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。U形管的振動 迫使管中流體在沿管道流動的同時又隨管道作垂直運動， 此時流體將受到科氏力 的作用，同時流體以反作用力作用于U形管。由于流體在U形管兩側的流動方向相反，所以作用于U形管兩側的科氏力大小相等方向相反，

10、從而使U形管受到一 個力矩的作用，管端繞R- R軸扭轉而產(chǎn)生扭轉變形，該變形量的大小與通過流 量計的質量流量具有確定的關系。 因此，測得這個變形量，即可測得管流體的質設U形管流體流速為u，U形管的振動可視為繞0-0為軸的瞬時轉動，轉動 角速度為若流體質量為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)因為質量流量和流速可分別寫為：qm m/t，u L/t，式中t為時間，則上 式可寫為M 4 rLq m設U型管的扭轉彈性模量為Ks，在扭力矩M作用下，U型管產(chǎn)生的扭轉角為 故有(1-14)M二丈啟因此，由上兩式得qm 牛(1-15)4 rLU型管在振動過程中，角是不斷變化的，并在管端越過振動中心位置 Z-Z時達到最大。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將不能同時越過中心位置Z-Z，而存在時間差t。由于 角很小，設管端在振動中心位置時的振動速度為up， ( upL )，則從而2r sinuP2rL(1-16)(1-17)將上式代入式（1-15），得(1-18)對于確定的流量計，式中的Ks和r是已知的，故質量流量qm與