质量流量计工作原理

1、质量流量计工作原理 流体得体积就是流体温度、压力与密度得函数.在工业生产与科学研究中， 仅测量体积流量就是不够得，山于产品质量控制、物料配比测定、成本核算以及 生产过程自动调节等许多应用场合得需要，还必须了解流体得质量流量。 质量流量讣得测量方法,可分为间接测量与直接测量两类.间接式测量方法 通过测量体积流量与流体密度经计算得出质量流量，这种方式乂称为推导式;直 接式测量方法则III检测元件直接检测出流体得质量流量. 1。间接式质量流量计 间接式质量流量测量方法，一般就是采用体积流量计与密度讣或两个不同类 型得体积流量计组合，实现质量流量得测量。常见得组合方式主要有3种。 (1) 节流式流量计

2、与密度计得组合 山前述知，节流式流量计得差压信号正比于，如图I所示，密度计连续测量出 流体得密度，将两仪表得输出信号送入运算器进行必要运算处理,即可求出质量 流量为 (1-1) 靶式流量计得输出信号与也成正比关系，故同样可按上述方法与密度计组合构成 质量流量计。密度计可采用同位素、超声波或振动管式等连续测量密度得仪表. 图1节流式流量计与密度计组合 (2) 体积流量计与密度计得组合 如图2所示，容积式流量讣或速度式流量计，如涡轮流量计、电磁流量计等, 测得得输出信号与流体体积流量成正比,这类流量计与密度讣组合，通过乘法运 算，即可求出质量流量为 (1-2) (3) 体积流量计与体积流量计得组合

3、 如图3所示,这种质量流量检测装置通常山节流式流量讣与容积式流量计或 速度式流量计组成，它们得输出信号分别正比于与通过除法运算，即可求出质量 流量为 (1-3) 图2体积流量计与密度计组合 组合 屛 体积 T 1 流量计 Ir 差压计 吨一运算器 % PQy 图3卩流式流量计与其她体积流量汁 除上述儿种组合式质量流量计外，在工业上还常釆用温度、压力自动补偿式 质量流量计。山于流体密度就是温度与压力得函数，而连续测量流体得温度与压 力要比连续测量流体得密度容易，因此，可以根据已知被测流体密度与温度与压 力之间得关系，同时测量流体得体积流量以及温度与压力值，通过运算求得质量 流量或自动换算成标准状

4、态下得体积流量。但这种测量方式不适合高压或温度变 化范围大得情形，因为在此条件下自动补偿检测出来得温度、压力很困难。 2.直接式质量流量计 直接式质量流量计得输出信号直接反映质量流量，其测量不受流体得温度、 压力、密度变化得影响。直接式质量流量计有许多种形式。 (1) 热式质量流量计 热式质量流量计得基本原理就是利用外部热源对管道内得被测流体加热，热 能随流体一起流动，通过测量因流体流动而造成得热量(温度)变化来反映出流 体得质量流量。 如图4所示，在管道中安装一个加热器对流体加热，并在加热器前后得对称 点上检测温度。设为流体得定压比热，为测得得两点温度差，则根据传热规律， 对流体得加热功率与

5、两点间温差得关系可表示为 (1-4) 山上式可写岀质量流量得方程式 (1-5) 流体 图4热式质量流量计结构示意图 当流体成分确定时,流体得定压比热为已知常数.因此山上式可知，若保持加 热功率恒定，则测出温差便可求出质量流量;若采用恒定温差法，即保持两点温 差不变，则通过测量加热得功率也可以求出质量流量山于恒定温差法较为简单、 易实现，所以实际应用较多。这种流量计多用于较大气体流量得测量。 为避免测温与加热元件因与被测流体直接接触而被流体玷污与腐蚀,可采用 非接触式测量方法，即将加热器与测温元件安装在薄壁管外部，而流体山薄罹管 内部通过。非接触式测量方法，适用于小口径管道得微小流量测量。当用于

6、大流 量测量时，可釆用分流得方法，即仅测量分流部分流量，再求得总流量，以扩大量 程范围。 图5为热式质量流量计得外观图。 图5 热式质量流量计外观图 （2）差压式质量流量计 差压式质量流量计就是以马格努斯效应为基础得流量计，实际应用中利用孔 板与定量泵组合实现质量流量测量.常见得有双孔板与四孔板与定量泵组合两种 结构。 双孔板结构形式如图6所示，在主管道上安装结构与尺寸完全相同得两个孔 板A与B,在分流管道上装置两个流向相反、流量固定为得定量泵，差压计连接 在孔板A入口与孔板B出口处.设主管道体积流量为，且满足，则111图可知，流经 孔板A得体积流量，流经孔板B得流量为，根据差压式流量测量原理

7、，孔板A与B 处压差分别为 (1 6) (1 -7) 式中，为常数;为流体得密度。由上式可得 (18) 可见，孔板A、B询后得压差与流体质量流量成正比，测出压差便可以求出流 体质量流量。 图6双孔板差圧式质量流量计结构原理图 由于双孔板质量流量计得定量泵流量必须大于主管道流量，并且要用两个定 量泵，在主管道流量较大时比较困难。因此,提出采用一个定量泵与四个孔板组 合得改进方案.如图7所示，从主管道流入得流量分成两路，并在支路安装相同得 孔板A、C与B、D,两个支路间安装一个定量泵，流量为。设流过孔板A得体 积流量为，流过孔板B、C、D得体积流量如图7中所示。用与上述计算相同得 方法,在时，可求

8、出如下关系 (19) 如果，则变成如下关系 (110) 可见，四孔板与定量泵组合结构不论或均可测量。 这种测量方法，适于测量液体得质量流量，测量范围为0、5-250 kg/h, 量程比为20： 1,测量准确度可达0、5%。 -II n差压计| I 图7四孔板差压式质量流量计结构原理图 （3）科里奥利质量流量计 科里奥利质量流量讣（简称科氏力流量计）就是一种利用流体在振动管中流 动而产生与质量流量成正比得科里奥利力得原理来直接测量质量流量得仪表。 科氏力流量计结构有多种形式，一般山振动管与转换器组成。振动管（测量管 道）就是敬感器件，有U形、Q形、环形、直管形及螺旋形等儿种形状，也有 用双管等方

9、式，但基本原理相同。下面以U形管式得质量流量计为例介绍。 图8科氏力流量计测量原理 图8所示为U形管式科氏力流量计得测量原理示意图。U形管得两个开口端 固定，流体山此流入与流出。U形管顶端装有电磁激振装置，用于驱动U形管， 使其铅垂直于U形管所在平面得方向以0-0为轴按固有频率振动.U形管得振动 迫使管中流体在沿管道流动得同时乂随管道作垂直运动，此时流体将受到科氏力 得作用，同时流体以反作用力作用于U形管。山于流体在U形管两侧得流动方向 相反，所以作用于U形管两侧得科氏力大小相等方向相反，从而使U形管受到一 个力矩得作用，管端绕RR轴扭转而产生扭转变形，该变形量得大小与通过流 量计得质量流量具

10、有确定得关系。因此，测得这个变形量，即可测得管内流体得质 量流量。 设U形管内流体流速为,U形管得振动可视为绕00为轴得瞬时转动，转动 角速度为若流体质量为，则其上所作用得科氏力为 (1-11) 式中，、均为矢量，就是按正弦规律变化得. U形管所受扭力矩为 (1-12) 式中，为U形管跨度半径。 因为质量流量与流速可分别写为:,，式中为时间，则上式可写为 (1 -13) 设U型管得扭转弹性模量为，在扭力矩作用下,U型管产生得扭转角为.故有 (1-14) 因此，由上两式得 (1- 1 5) U型管在振动过程中，角就是不断变化得，并在管端越过振动中心位置ZZ 时达到最大。若流量稳定，则此最大角就是不变得。III于角得存在，两直管端、 将不能同时越过中心位置Z-Z,而存在时间差.由于角很小，设管端在振动中心 位置时得振动速度为，0，则 (1-16) 从而 (1 17) 将上式代入式(1-15),得 (1-18) 对于确定得流量计，式中得与就是已知得,故质量流量与时间差成正比