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。在工業(yè)生產和科學研究中，僅測量體積流量是不夠的，由于產品質量控制、物料配比測定、成本核算以及生產過程自動調節(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述知，節(jié)流式流量

2、計的差壓信號正比于，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。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推薦精選如圖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

3、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）圖2體積流量計和密度計組合 圖3 節(jié)流式流量計和其他體積流量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，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壓或溫度變化范圍大的情形，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

4、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。推薦精選（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內的被測流體加熱，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。設為流體的定壓比熱，為測得的兩點溫度差，則根據傳熱規(guī)律，對流體的加熱功率與兩點間溫差的關系可表示為 （1-4）由上式可寫出質量流量的方程式 （1-5）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。因此由上

5、式可知，若保持加熱功率恒定，則測出溫差便可求出質量流量；若采用恒定溫差法，即保持兩點溫差不變，則通過測量加熱的功率也可以求出質量流量。由于恒定溫差法較為簡單、易實現，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，而流體由薄壁管內部通過。非接觸式測量方法，適用于小口徑管道的微小流量測量。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，以擴大量程范圍。推薦精選圖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

6、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，且滿足，則由圖可知，流經孔板A的體積流量，流經孔板B的流量為，根據差壓式流量測量原理，孔板A和B處壓差分別為 （1-6） （1-7）式中，為常數；為流體的密度。由上式可得推薦精選 （1-8）可見，孔板A、B前后的壓差與流體質量流量成正比，測出壓差便可以求出流體質量流量。圖6雙孔板差壓

7、式質量流量計結構原理圖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。設流過孔板A的體積流量為，流過孔板B、C、D的體積流量如圖7中所示。用與上述計算相同的方法，在時，可求出如下關系 （1-9）如果，則變成如下關系 （1-10）可見，四孔板與定量泵組合結構不論或均可測量。這種測量方法，適于測量液體的質量流量，測量范圍為0.5250 kg/h，量程比為20：1，測量準確度可達0.5。推

8、薦精選圖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。科氏力流量計結構有多種形式，一般由振動管與轉換器組成。振動管（測量管道）是敏感器件，有U形、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O-O為軸

9、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推薦精選，從而使U形管受到一個力矩的作用，管端繞RR軸扭轉而產生扭轉變形，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，即可測得管內流體的質量流量。設U形管內流體流速為，U形管的振動可視為繞O-O為軸的瞬時轉動，轉動角速度為若流體質量為，則其上所作用的科氏力為 （1-11）式中，、均為矢量，是按正弦規(guī)律變化的。U形管所受扭力矩為 （1-12）式中，為U

10、形管跨度半徑。因為質量流量和流速可分別寫為：，式中為時間，則上式可寫為 （1-13）設U型管的扭轉彈性模量為，在扭力矩作用下，U型管產生的扭轉角為。故有 （1-14）因此，由上兩式得 （1-15）U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、將不能同時越過中心位置Z-Z，而存在時間差。由于角很小，設管端在振動中心位置時的振動速度為，（），則推薦精選 （1-16）從而 （1-17）將上式代入式（1-15），得 （1-18）對于確定的流量計，式中的和是已知的，故質量流量與時間差成正比。如圖8所示，只要在振動中心位置Z-Z處安裝兩個光電或磁電位移