質(zhì)量流量計工作原理

/質(zhì)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(xué)研究中.僅測量體積流量是不夠的.由于產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料配比測定、成本核算以及生產(chǎn)過程自動調(diào)節(jié)等許多應(yīng)用場合的需要.還必須了解流體的質(zhì)量流量。質(zhì)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(zhì)量流量.這種方式又稱為推導(dǎo)式；直接式測量方法則由檢測元件直接檢測出流體的質(zhì)量流量。1．間接式質(zhì)量流量計間接式質(zhì)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(zhì)量流量的測量。常見的組合方式主要有3種?！?節(jié)流式流量計與密度計的組合由前述知.節(jié)流式流量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(jìn)行必要運算處理.即可求出質(zhì)量流量為〔1-1靶式流量計的輸出信號與也成正比關(guān)系.故同樣可按上述方法與密度計組合構(gòu)成質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量流量計外.在工業(yè)上還常采用溫度、壓力自動補(bǔ)償式質(zhì)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(guān)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(zhì)量流量或自動換算成標(biāo)準(zhǔn)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(bǔ)償檢測出來的溫度、壓力很困難。2．直接式質(zhì)量流量計直接式質(zhì)量流量計的輸出信號直接反映質(zhì)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(zhì)量流量計有許多種形式。〔1熱式質(zhì)量流量計熱式質(zhì)量流量計的基本原理是利用外部熱源對管道內(nèi)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(zhì)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(shè)為流體的定壓比熱.為測得的兩點溫度差.則根據(jù)傳熱規(guī)律.對流體的加熱功率與兩點間溫差的關(guān)系可表示為〔1-4由上式可寫出質(zhì)量流量的方程式〔1-5圖4熱式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)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.若保持加熱功率恒定.則測出溫差便可求出質(zhì)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(zhì)量流量。由于恒定溫差法較為簡單、易實現(xiàn).所以實際應(yīng)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(nèi)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(dāng)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(kuò)大量程范圍。圖5為熱式質(zhì)量流量計的外觀圖。圖5熱式質(zhì)量流量計外觀圖〔2差壓式質(zhì)量流量計差壓式質(zhì)量流量計是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計.實際應(yīng)用中利用孔板和定量泵組合實現(xiàn)質(zhì)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(jié)構(gòu)。雙孔板結(jié)構(gòu)形式如圖6所示.在主管道上安裝結(jié)構(gòu)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(shè)主管道體積流量為.且滿足.則由圖可知.流經(jīng)孔板A的體積流量.流經(jīng)孔板B的流量為.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式中.為常數(shù)；為流體的密度。由上式可得〔1-8可見.孔板A、B前后的壓差與流體質(zhì)量流量成正比.測出壓差便可以求出流體質(zhì)量流量。圖6雙孔板差壓式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)原理圖由于雙孔板質(zhì)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(jìn)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(shè)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(guān)系〔1-9如果.則變成如下關(guān)系〔1-10可見.四孔板與定量泵組合結(jié)構(gòu)不論或均可測量。這種測量方法.適于測量液體的質(zhì)量流量.測量范圍為0.5～250kg/h.量程比為20：1.測量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5％。圖7四孔板差壓式質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)原理圖〔3科里奧利質(zhì)量流量計 科里奧利質(zhì)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(zhì)量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質(zhì)量流量的儀表?？剖狭α髁坑嫿Y(jié)構(gòu)有多種形式.一般由振動管與轉(zhuǎn)換器組成。振動管〔測量管道是敏感器件.有U形、Ω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(zhì)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(qū)動U形管.使其鉛垂直于U形管所在平面的方向以O(shè)-O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(cè)的流動方向相反.所以作用于U形管兩側(cè)的科氏力大小相等方向相反.從而使U形管受到一個力矩的作用.管端繞R—R軸扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形.該變形量的大小與通過流量計的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。因此.測得這個變形量.即可測得管內(nèi)流體的質(zhì)量流量。設(shè)U形管內(nèi)流體流速為.U形管的振動可視為繞O-O為軸的瞬時轉(zhuǎn)動.轉(zhuǎn)動角速度為若流體質(zhì)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形管跨度半徑。因為質(zhì)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(shè)U型管的扭轉(zhuǎn)彈性模量為.在扭力矩作用下.U型管產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角為。故有〔1-14因此.由上兩式得〔1-15U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(dá)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(shè)管端在振動中心位置時的振動速度為.〔.則〔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(zhì)量流量與時間差