工业仪表与工程测试：第6章 流量测量3

1、6.7.6 转子流量计(1)结构 一根外有刻度的锥形玻璃管，锥形玻璃管内有一转子（浮子）, 法兰和支撑板组成。（2）工作原理 流体由锥形玻璃管底进入，从顶部流出。转子受流体作用而升高。流体通过转子与锥形玻璃管的环形缝隙时，由于流道截面积缩小，流速增大，导致流体静压下降，使转子上下产生压差，即产生一个向上的推力。当此推力与转子的静重力（转子受力减去流体对转子的浮力）相等时，转子处于平衡状态，停留在一定位置上。 设转子的体积为Vf，转子最大处的截面积为Ff，转子材料的密度为 f ，流体的密度为 ，流体经转子的压力差为p，当转子在流体中处于平衡时，有（24） 当转子停留在一定位置时，转子与锥形玻璃管

2、间环隙的面积也一定。流体流经此环隙时，流速与压力的变化关系与通过孔板流量计孔口时的情形相似。流量公式 CR的数值与转子的形状及流体通过环隙时的Re有关。(25)环隙截面积流量计的流量系数将式（24）代入式（25）得(m3/s)(26) 由式（26）可见，对于一定的转子流量计，其Vf，Ff， f均不变，即流体流经转子时的压力差p=Constant,与流量无关。 若流体介质一定（=Constant）；在测量范围内，CR也为常数，则 流量与FR成正比 转子流量计的玻璃管为锥形，上大下小，因此，转子停留位置越高，流体所通过的环隙截面积越大，流量越大。即流量与转子所处高度成正比。(3) 转子流量计的使用

3、 气体转子流量计流量标尺上的刻度表示：标准状态下（20 ，1.013 105Pa）的空气流量。当被测气体的种类及其工况（压力和温度）不同时，指示值与实际流量间会存在差别，须进行修正。空气流量被测介质流量被测介质密度空气密度因f a， f g，故f a f , f g f 所以(3) 转子流量计浮子的形式（4）转子流量计的用途： 气体和液体皆可； 精确度：1-2%6.7.7 靶式流量计（1）结构与工作原理： 在管道中垂直于流体流动方向上置一圆盘形钢片靶。流体通过时对靶片产生推动力，经杠杆系统产生力矩。力矩与流量的平方成正比。作用于靶上的推动力： 1）流体对靶的冲击力动压力； 2）靶背面旋涡形成的

4、抽吸效应使靶前后产生压力差； 3）流体流经靶时速度增大，与靶周边产生粘滞摩擦力。 前二者方向相同，起主导作用；后者可忽略。环形流通面积处的平均流速靶直径靶式流量计的基本方程式：显然，测得靶受到的力F，即可知流量。靶输出力阻力系数靶的迎流面积（2） 安装与使用1）工作环境温度：60 ；2）流量计前后应加截止阀、旁路阀及放空阀；3）垂直安装时流体自下而流动；流体中含有颗粒物时，须水平安装；4）流量计前后应有一定长度的直管段，且其直径与仪表管径一致；5）流量计须与管道同心。6.8 质量流量计6.8.1 科里奥利质量流量计 1977年，美国的James E. Smith发明了第一台科里奥利质量流量计(

5、Coriolis Mass FlowerCMF，简称科氏流量计)。它是利用流体在振动管中流动时产生与质量流量成正比的科里奥利力的原理进行测量的。由于它实现了真正意义上的高精度的直接质量流量测量，具有抗磨损、耐腐蚀、可测量多种介质及多个参数等诸多优点，现已在石油化工、制药、食品及其他工业过程中广泛应用。6.8.1.1 科里奥利质量流量计的工作原理 法国科学家科里奥利早在19世纪提出，当一根管子绕原点旋转时，一个质点从原点通过管子向外端流动，即质点的线速度由零逐渐增大，质点被赋予了能量，随之产生的反作用力Fc(即惯性力)将使管子的旋转速度减缓，使管子运动发生滞后。相反，一个质点从外端通过管子向原点

6、流动，即质点的线速度由大逐渐减小趋向于零，质点的能量被释放出来，随之产生的反作用力Fc将使管子的旋转速度加快，使管子运动发生超前。如图6-72(a)所示。这种使旋转的管子运动发生超前或滞后的力称为科里奥利力简称科氏力。图6-72 科氏力作用原理图 将绕着同一根轴线以相同相位旋转的两根相同管子的外端用同样的管子连接起来，如图6-72(b)所示，当管内无流体流过时，连接管与轴线是平行的；而当管内有流体流过时，由于科氏力的作用，两旋转管产生相位差(质点流出侧相位领先于流入侧)，连接管不再与轴线平行。科氏流量计就是利用这一原理制成的。科氏流量计通常是以振动代替旋转运动，即由两端固定的薄壁测量管，在中心

7、处加以测量管谐振或接近谐振的激励。这样，如果把测量段看作是从中心分开的两段，那么这两段就相当于分别围绕两端固定点做来回旋转运动。当流体从一端流向另一端时，就产生了科里奥利力，使测量管中点前后两半段产生方向相反的扭曲，进而产生相位差。测出扭曲量-扭角的大小或测出两段管通过中心平面的时间差t，即可得知质量流量。 如图6-73所示，设管道AC的横截面面积为S，管内流体相对管道的流速为v，流体的密度为，则流体的质量流量(单位时间流过管道横截面的流体质量)可表示为:图 6-73 设管道围绕过A点且垂直管道的轴(图6-73中该轴垂直版面)以角速度转动，取沿管道长为L的一个任意元段的流体为研究对象，并设其质

8、量为m，沿管道的流速为v，则可得到流体元段L所受到的科氏力为:所以，单位长度管道所受到的科氏力的大小为 上式表明，作用于管道上的科氏力与流体的质量流量成正比，而与流体的物理性质无关。利用这一结论，直接或间接测量有流体流动的旋转管道所受到的科氏力，即可得到流体的质量流量 。6.8.2 单U型弯管质量流量计 科氏流量计的振动管(测量管)的形状有多种，但总的说来可分为弯管与直管两种，其中又有单管与双管之分。科氏质量流量计由传感器和转换器构成，核心部分是它的传感器，其结构主要由测量管、驱动器和信号检测器组成。单U型弯管质量流量计为例说明其工作原理 图6-74为单U型弯管质量流量计传感器的结构示意图。U

9、型测量管AD1CD2B与输送流体的管道串联相接，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动。电磁驱动器在测量管的中点C处，它激励C点在垂直图中版面的方向作小幅度振动(振幅为12mm)，从而带动整个测量管绕着过AB的轴振动。流体不流动时，测量管系统的振动称为主振动，除测量管根部A、B节点外，管上的各点均在图中垂直版面的方向(设为x方向)振动。图中D1和D2是处于弯管转角处的两个对C点对称的测量点，在测量点上各有一个电磁感应信号检测器，经过数字信号处理系统(DSP)取样滤波后,分别输出D1和D2点振动基波的正弦波信号。当管中的流体不流动时，D1和D2点主振动的位移是同步的，两个检测器

10、输出的是同相位的正弦波信号。 图 6-74单U型弯管质量流量计结构示意图 当管中有流体流动时，管的进口侧AD1段和出口侧BD2段将会受到科氏力的作用，如图6-75所示。图中表示的是沿AB方向看去，测量管做顺时针转动的情形，此时角速度的方向由A指向B，该方向与管子在进口侧和出口侧中流体的流速都是垂直的，但是由于流体在测量管进口侧和出口侧的流速方向相反，所以两侧管子受到的科氏力的方向也相反。在进口侧，测量管受到的科氏力垂直管子指向版面外(沿x轴反方向)，它与管上各点振动位移的方向相反，从而使管子上各点的振动位移较主振动(流体不动情形)要滞后；而在出口侧，测量管受到的科氏力则垂直管子指向版面内(沿x

11、轴正方向)，它与管上各点振动位移的方向一致，从而使管子上各点的振动位移较主振动要超前。D1CD2段管子中的流体流速 与平行，因此不产生科氏力。由于进口侧和出口侧管子所受到的科氏力大小相等、方向相反，它们形成了一对使测量管产生扭曲的力偶矩，从而使D1CD2管段绕C点在垂直版面的平面内相应地转过了一个图 6-75 科氏力作用示意图 角(很小)。当测量管逆时针转动时，由于流体流速的方向并未改变，所以管子受到的科氏力与图4所示的情形正相反。此时仍然是测量管进口侧受到的科氏力与管上各点振动位移的方向相反，从而使管上各点的振动位移较主振动要滞后；而测量管出口侧科氏力的作用仍然是使管子上各点的振动位移较主振动要超前。总之，只要流体流向不改变，总是测量管进口侧各点振动位移较主振动滞后，出口侧各点振动位移较主振动超前.如果流体逆向流动，则上述结论正相反。6.8.3 加温型热式液体流量计 图6-76所示是加温型热式液体流量计原理简图在字型测量通道上端置一加热元件H,测量管进口端/出口端的液体温度与流量传感器下部铝材基座的温度相同。加热温度很低,仅升高1。在加热元件与流入/流出端间设置测温元件,由500对热电偶串接的热电堆(thermopile),分别测量加热元件上/下游测量通道温度,也有在字型通道两边设两支铂