质量流量计介绍

1、质量流量计介绍 目前广泛应用的流量计，无论是差压式、靶式、涡轮、电磁或容积等型式，从原理上看都足测量容积流量的。由于流体的容积大小受其温度、压力等参数的影响，当被测流体的温度、压力坐化时，应把所测量的容积流量换算成标准状态或某一约定状态下的相应值。但事实上当温度、压力频繁变动时，进行及时的换算是很困难的，有时是不可能的。 因此，希望用质量流量计来测量质量流量。另外、在实际生产中，由于要对产品进行质量控制、对生产过程中各种物料混合比率进行测定、成本核算以及对生产过程进行自动调节等，也必须了解质量流量。随着工业生产技术的发展和自动化水平的提高，例如实现大型发电机组的全程自启停、对核电站气、液二相流

2、的规定，以及对电厂热力经济性进行更准确的评价等，都使得质量流量测量技术日益重要:容积流量Q和质质量流量M之之间的关系是是 MM=Q (110-1)或 M=A (10-2)式中 -被测流体的的密度，kggm3; A-流体体的流通截面面(一般为管管道的流通截截面), mm2; -流通通截面A处的的平均流速，mms.质量流量计分分间接式推推导式和直直接式两类。根根据式(100 -1)测测量质量流量量的仪表，必必须先测量积积流量再乘被被测流体的密密度，通过密密度计和乘法法器实现，这这种仪表称为为间接式质量量流量计或推推导式质量流流量计。日前前, 密度计计由于结构和和元件特性的的限制，在高高温、高压下下

3、尚不能运用用只能采用用固定的密度度数值乘容积积流量。众所所周知，介质质密度随着压压力、温度的的变化而异,在变动工况况下采用固定定的密度值将将带来较大的的质量流量测测量误差，故故必须进行参参数补偿，据据此发展了温温度、压力补补偿式流量计计。检测出被被测流体的温温度、压力，然然后按一定的的数学模型自自动换算出相相应的密度值值, 得到密密度值与容积积流量值的乘乘积便可实现现质量流量测测量，故称为为温度、压力力补偿式质量量流量计。温温度、压力补补偿式质量流流量计是当前前工业上普遍遍应用的一种种推导式质量量流量计的特特殊形式。直接检测与质质量流量有关关的量来反映映质量流量大大小的流量计计称为直接式式质量

4、流量计计。研制直接式质质量流量计, 目的在于于使最后代表表质量流量的的输出信号与与被测介质的的压力、温度度等参数无关关，以解决当当介质参数变变化范围很大大，其密度和和温度、压力力之间的关系系不能看成线线性,而采用用温度、压力力自动补偿方方式又很困难难和繁琐的问问题。这也是是在温度、压压力自动补偿偿式质量流星星计已得到广广泛应用的同同时, 还要要开展直接式式质量流量计计研究的理由由。由于对直接式式质量流量计计需求的迫切切性近几年才才较强烈, 因此它正处处于迅速开发发阶段，虽已已有多种类型型，但由于受受原理、结构构、维修、寿寿命及价格等等方面的限制制，在以用工工业中尚未广广泛应用。本本章重点讲述述

5、间接式质量量流量计, 直接式质量量流量计只作作一般介绍。第二节 直接式式质量流量计计直接式质量流流量汁，是由由检测元件直直接反映质量量流量的仪表表，目前巳利利用不同原理理开发出多种种类型，如动动量及动量矩矩式、惯性力力式、科里奥奥利力式、差差压式、振动动式、热式等等。每一种型型式又有多种种结构，例如如差压式有: 乌格努斯斯质量流星计计、振动皮托托管质量流量量计、粉体桥桥式质量流星星计，流体涌涌出形质量流流量计等振振动式有：悬悬臂振动及旋旋转振动型质质量流量计、表表面进行波型型质量流量计计等. 型式式繁多难以一一一叙述。现现仅就常见的的应用较多的的型式进行简简述，对有代代表性的结构构作重点介绍绍

6、。目前常见的直接接式质量流量量计有双涡轮轮质量流量计计、动量矩式式质量流量计计、惯性力式式质景流量计计、科里奥利利式质量流量量计以及热式式质量流量计计等。双涡轮质量流量量计的结构原原理是，两个个由弹簧连接接的涡轮,受受流体本身的的流动能量冲冲击而旋转，因因两涡轮叶后后螺旋倾角不不同而造成力力矩差，该力力矩差由连接接弹簧所平衡衡，并使两涡涡轮间形成扭扭角，扭角的的大小与质量量流量成比例例，测量因扭扭角造成的信信号时间差，可可得质量流量量。这种结构构的优点是检检测元件利用用内能源工作作, 不需外外加能量，结结构简单，但但对弹性元件件的性能要求求较高 ，且且需在设计上上考虑消除流流体受第一个个涡轮扰

7、动后后对第二个涡涡轮的影响，以以及在流体扰扰动影响下两两个涡轮之间间可能发生的的扭曲振动。动量矩式和惯惯性力式质量量流量计是根根据牛顿第二二定律的原理理制作的，从从力学角度来来说，质量是是物体惯性的的量度。物体体受外力作用用，运动状态态发生变化，其其变化量的大大小与质量有有关. 测量量运动状态对对时间的变化化率； 即可可测得质量流流量，据此可可以创造多种种结构的质设设流量计. 动量矩式质质量流量汁是是用流体动量量矩的变化反反映质量流量量的. 其典典型结构是在在仪表壳内存存一个主动轮轮和一个从动动伦，分别装装在短轴上，电电动机以恒定定角速度 驱驱动主动轮. 设流体的的等效旋转半半径为l ，则则流

8、体的平均均流速 。若若流体的质量量为m，则动动量矩Jmm = 。由于从从动轮被弹簧簧限制，不能能旋转，所以以测出弹簧的的制动力短即即可反映动量量矩。此动量量矩对时间的的变化率 . 因 系定定值, 故测测量 即可反反映质量流量量M 。而而惯性方式质质量流量计一一般是利用被被则流体流经经以等速转功功的可动测量量管件时，得得到一个附加加加速度，从从而可动管件件管壁受到流流体给的与加加速度反方向向的惯性力，此此惯性力与质质量流量成比比例, 由测测量惯性力或或惯性力矩可可测得质量流流量。与双涡涡轮质量流量量计相比较，动动量矩和惯性性力式质量流流量计都需要要外能源才能能工作。达一一类流量计目目前发展较快快

9、和应用较广广的是一种被被称为科里奥奥利式质量流流量计，它是是通过测量科科里奥利力的的变化来反映映质量流量大大小的。所谓谓科里奥利力力是指，处于于匀角速度转转动参照系中中的运动物体体，对在转动动参照系中的的观察者看来来，该物体除除了要附加惯惯性离心力的的作用外，还还耍附加另外外一种惯性力力的作用才能能利用牛顿第第二定律来描描述物体的运运动状态，这这种力就是科科里奥利力，简简称科氏力。例例如以一个圆圆盘为转功参参照系，若圆圆盘绕中心轴轴转动, 其其角速度为 ，设一物体体由旋转中心心沿圆盘半径径以速度 相相对于圆盘作作匀速直线运运动，则该物物体除了受惯惯性离心力外外，还受到科科里奥利力的的作用，科氏

10、氏力的大小决决定于圆盘的的角速度 和和物体的径向向速度 . 设科氏力以以fc表承，则其其表达式为 (103)式中 m运动物体的的质量；物体在转动动参照系中的的运动速度；转动参照系系的角速度。如上所述，科里里奥利力的存存在是以径向向速度 和转转动角速度 同时存在为为先决条件的的，任一速度度为零，都不不会产生科里里奥利力。由式(1033)可以看出出，当转动角角速度 一定定时，科氏力力f c正比于物体体的质量与速速度之积m ，这正是利利用科里奥利利力测量质量量流量的最原原始的理论依依据。在流量量测量中，使使被则流体以以某流速 流流过以 角速速度转动的可可动管件，以以达到 与 同时存在的的条件, 此此

11、可动管件称称之谓流量测测量管。测量量管可以用旋旋转方式或周周期振动方式式来实现所需需的 值。当当流体流过测测量管时, 相当于流过过角速度以一一定周期变化化方向的旋转转式测量管, 同样会产产生科氏效应应，而在结构构上相对比较较简单。为了求出科里奥奥利力与质量量流量的关系系式, 以振振动式单U形形管结构为例例，如图1001所示测量管在电电磁驱动系统统驱动下以固固有振动频率率作周期性上上下振功。当当流体流过振振动管时，流流体被强制接接受管子的垂垂直动量。以以管子向上运运功的振动半半周期为例，设设其角速度为为 ，则U形形管流入侧受受到的科里奥奥刊火为 (1004)式巾 m测量管中流流体的质量，kkg；

12、 被训流体沉沉迪，mqq测量管向上上方运动的角角速度, rrad/s。 图101所示示 振动式式单u形流量量测量管质量流量的定义义为单位时间间流过通流截截面的流体质质量即M= (10-55)式中 m在时间t内内流过测量管管中流体的质质量，kg； tt流体流流过测量管的的时间。 对匀迎迎流体: (106)式中 l测量管长度度，m;将式(10-6)代入式式(1055)，再代人人式(104)得 fcc= 2 (1107由式(1077)得 M c (1008)由于测量管的长长度l及其转转功的角速度度 均为常数数，故 为常常数，设k ，则 M=kfc (1109)式中 k-与测量量管长度l及及角速度 有

13、有关的常数； 其余符符号同前。由式(1099)可知，质质量流量M与与科里奥利力力f c成正比。当当测量管的结结构及其振动动的驱动系统统确定后，kk则为已知常常量，测量科科氏力f cc即可求得质质量流量M，同同理，若分析析测量管向下下运动的振动动半周期或流流出侧管内的的流体时，也也会得到同样样的结论。采用不同的方法法测量科氏力力f c， 以及选选择不问形式式的测量管结结构和用不同同的方式使测测量管获得需需要的转动角角速度 , 可以制成多多种类型的科科里奥利力质质量流量计。只只要所有被测测流体都流过过测量管，流流体的质量流流量就可直接接测得，对单U形振动管管, 也常利利用测量U形形管的形变量量来反

14、映科氏氏力fc的大小。因因为流体在UU形管流入侧侧及流出侧的的流动方向相相反，所以uu形管的两侧侧管受到大小小相问、方问问相反的科氏氏力。科氏力力的作用造成成测量管变形形。形变量的的大小与科氏氏力成正比，即即与质量流量量成正比。一一般的仪表检检测方式是，通通过位于流量量测量管两侧侧的电磁感应应器测量在这这两点上管子子振动的速度度，和由于管管子的变形引引起这两个速速度信号之间间的时间差，然然后把此信号号送到转换器器，转换器将将信号进行处处理并转换成成直接与质量量流量成正比比的电信号输输出。若采用两个U形形振动管作流流量测量管，两两根管子的振振动及变形相相位差1800，用它们们合成的变形形量来确定

15、质质量流量，这这样可以提高高仪表的灵敏敏度。科里奥利力式质质量流量计除除了上述采用用U形管式结结构外，现有有产品还有直直管式质量流流量计、LiiLee质质量流量计、旋旋转陀螺式质质量流量计、振振动陀螺式质质量流量计、旋旋转振功式及及悬臂式质量量流量计等热式质量流量计计也是目前发发展较快的一一种直接式质质量流量计，它它的基本原理理是，利用外外热源对被测测流体加热，测测量因流体流流动造成的温温度场变化来来反映质显流流量。温度场场的变化用加加热器前后端端的温差来表表示。被测流流体的质量流流量M与加热热器前后端温温差 之间酌酌关系是 (10-10)式中 P加热器的功功率； J-热功功当量； Cp-被测

16、流体的的定压比热； 加热热器前后端的的温度差。由上式可知, 若采用恒定定功率法, 则温差 质质量流量M成成反比，测得得温差 即可可求得M假若若采用恒定温温差法，则加加热器输入功功率P与质量量流量成正比比，测得加热热器输入功率率P则可求得得M值。在使使用上，恒定定温差法, 无论从特性性关系或实现现测量的手段段看都较恒定定功率法简单单，从功率表表上读出P值值即可得到MM值,因而应应用广泛。热式质量流量计计根据热源及及测温方式的的不同可分为为接触式和非非接触式两种种。1接触式热式式质量流量计计这种质量流量计计的加热元件件和测温元件件都置于被测测流体的管道道内，与流体体直接接触，常常被称为托马马斯流量

17、计，适适于测量气体体的较大质量量流量. 其其结构原理如如图1022所示。由于于加热及测量量元件与被测测流体直接接接触，因此元元件易受流体体腐蚀和磨损损，影响仪表表的测量灵敏敏度和使用寿寿命。测量高高流速、有腐腐蚀性的流体体时不宜选用用，这是接触触式的缺点。2非接触式热热式质量流量量计这种流量计的加加热及测温元元件都置于流流体管道外，与与被测流体不不直接接触，克克服了接触式式的缺点。热热式微流量行行(是非接触触式质量流量量计的典型结结构)如图1103所示示。仪表的测测量导管，为为薄壁小口径径镍管，镍管管外部两侧缠缠绕铂电阻丝丝3、5作为为测温线圈，并并作为没量电电桥的两臂RR1、R2。两两测温线

18、圈的的中间缠绕着着锰铜丝加热热线圈4，作作为仪表的加加热器。当流流体静止时，由由于测温线圈圈对称地安装装在加热器两两侧且阻值相相等(各1000 左右)，因此测量量电桥处于平平衡状态。但但当流体在镍镍管中流经测测温电阻时，就就破坏了加热热器的温度场场，两测温线线圈处于不同同的温度场内内，因而引起起电阻值发生生变化。两测测温线圈阻值值不等，破坏坏了电桥的平平衡。根据电电桥平衡原理理，由检流计计8测得电阻阻值的变化, 即可求得得质量流量MM。 图10-2 接触式热热式质量流量量计结构原理理 l、33热电偶；2一加热器器；4一功率率表图103 非接触式热热式质量流量量计 1测量导导管; 22等温外壳壳; 33测温线圈圈; 4加热线圈 77调零电阻阻; 8检流计计热式微流量计适适用于测量液液体和气体的的微小质量流流量。可测00-1000cm3h的微小小液体流量和和l0Lh左有有的微小气体体流量。 为了使使结构简化，有有些产品取消消了加热器，只只用两只测量量电阻，既作作加热元件