質(zhì)量流量計(jì)工作原理

/質(zhì)量流量計(jì)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(cè)量體積流量是不夠的.由于產(chǎn)品質(zhì)量控制、物料配比測(cè)定、成本核算以及生產(chǎn)過程自動(dòng)調(diào)節(jié)等許多應(yīng)用場(chǎng)合的需要.還必須了解流體的質(zhì)量流量。質(zhì)量流量計(jì)的測(cè)量方法.可分為間接測(cè)量和直接測(cè)量?jī)深?。間接式測(cè)量方法通過測(cè)量體積流量和流體密度經(jīng)計(jì)算得出質(zhì)量流量.這種方式又稱為推導(dǎo)式；直接式測(cè)量方法則由檢測(cè)元件直接檢測(cè)出流體的質(zhì)量流量。1．間接式質(zhì)量流量計(jì)間接式質(zhì)量流量測(cè)量方法.一般是采用體積流量計(jì)和密度計(jì)或兩個(gè)不同類型的體積流量計(jì)組合.實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量的測(cè)量。常見的組合方式主要有3種?！?節(jié)流式流量計(jì)與密度計(jì)的組合由前述知.節(jié)流式流量計(jì)的差壓信號(hào)正比于.如圖1所示.密度計(jì)連續(xù)測(cè)量出流體的密度.將兩儀表的輸出信號(hào)送入運(yùn)算器進(jìn)行必要運(yùn)算處理.即可求出質(zhì)量流量為〔1-1靶式流量計(jì)的輸出信號(hào)與也成正比關(guān)系.故同樣可按上述方法與密度計(jì)組合構(gòu)成質(zhì)量流量計(jì)。密度計(jì)可采用同位素、超聲波或振動(dòng)管式等連續(xù)測(cè)量密度的儀表。圖1節(jié)流式流量計(jì)與密度計(jì)組合〔2體積流量計(jì)與密度計(jì)的組合如圖2所示.容積式流量計(jì)或速度式流量計(jì).如渦輪流量計(jì)、電磁流量計(jì)等.測(cè)得的輸出信號(hào)與流體體積流量成正比.這類流量計(jì)與密度計(jì)組合.通過乘法運(yùn)算.即可求出質(zhì)量流量為〔1-2〔3體積流量計(jì)與體積流量計(jì)的組合如圖3所示.這種質(zhì)量流量檢測(cè)裝置通常由節(jié)流式流量計(jì)和容積式流量計(jì)或速度式流量計(jì)組成.它們的輸出信號(hào)分別正比于和通過除法運(yùn)算.即可求出質(zhì)量流量為〔1-3圖2體積流量計(jì)和密度計(jì)組合圖3節(jié)流式流量計(jì)和其他體積流量計(jì)組合除上述幾種組合式質(zhì)量流量計(jì)外.在工業(yè)上還常采用溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)。由于流體密度是溫度和壓力的函數(shù).而連續(xù)測(cè)量流體的溫度和壓力要比連續(xù)測(cè)量流體的密度容易.因此.可以根據(jù)已知被測(cè)流體密度與溫度和壓力之間的關(guān)系.同時(shí)測(cè)量流體的體積流量以及溫度和壓力值.通過運(yùn)算求得質(zhì)量流量或自動(dòng)換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量。但這種測(cè)量方式不適合高壓或溫度變化范圍大的情形.因?yàn)樵诖藯l件下自動(dòng)補(bǔ)償檢測(cè)出來的溫度、壓力很困難。2．直接式質(zhì)量流量計(jì)直接式質(zhì)量流量計(jì)的輸出信號(hào)直接反映質(zhì)量流量.其測(cè)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(jì)有許多種形式?！?熱式質(zhì)量流量計(jì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的基本原理是利用外部熱源對(duì)管道內(nèi)的被測(cè)流體加熱.熱能隨流體一起流動(dòng).通過測(cè)量因流體流動(dòng)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(gè)加熱器對(duì)流體加熱.并在加熱器前后的對(duì)稱點(diǎn)上檢測(cè)溫度。設(shè)為流體的定壓比熱.為測(cè)得的兩點(diǎn)溫度差.則根據(jù)傳熱規(guī)律.對(duì)流體的加熱功率與兩點(diǎn)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(jì)結(jié)構(gòu)示意圖當(dāng)流體成分確定時(shí).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(cè)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(diǎn)溫差不變.則通過測(cè)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(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn).所以實(shí)際應(yīng)用較多。這種流量計(jì)多用于較大氣體流量的測(cè)量。為避免測(cè)溫和加熱元件因與被測(cè)流體直接接觸而被流體玷污和腐蝕.可采用非接觸式測(cè)量方法.即將加熱器和測(cè)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(cè)量方法.適用于小口徑管道的微小流量測(cè)量。當(dāng)用于大流量測(cè)量時(shí).可采用分流的方法.即僅測(cè)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(jì)的外觀圖。圖5熱式質(zhì)量流量計(jì)外觀圖〔2差壓式質(zhì)量流量計(jì)差壓式質(zhì)量流量計(jì)是以馬格努斯效應(yīng)為基礎(chǔ)的流量計(jì).實(shí)際應(yīng)用中利用孔板和定量泵組合實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)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(gè)孔板A和B.在分流管道上裝置兩個(gè)流向相反、流量固定為的定量泵.差壓計(jì)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(cè)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(cè)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(jì)結(jié)構(gòu)原理圖由于雙孔板質(zhì)量流量計(jì)的定量泵流量必須大于主管道流量.并且要用兩個(gè)定量泵.在主管道流量較大時(shí)比較困難。因此.提出采用一個(gè)定量泵和四個(gè)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(gè)支路間安裝一個(gè)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(jì)算相同的方法.在時(shí).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(cè)量。這種測(cè)量方法.適于測(cè)量液體的質(zhì)量流量.測(cè)量范圍為0.5～250kg/h.量程比為20：1.測(cè)量準(zhǔn)確度可達(dá)0.5％。圖7四孔板差壓式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理圖〔3科里奧利質(zhì)量流量計(jì) 科里奧利質(zhì)量流量計(jì)〔簡(jiǎn)稱科氏力流量計(jì)是一種利用流體在振動(dòng)管中流動(dòng)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(cè)量質(zhì)量流量的儀表?？剖狭α髁坑?jì)結(jié)構(gòu)有多種形式.一般由振動(dòng)管與轉(zhuǎn)換器組成。振動(dòng)管〔測(cè)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(jì)為例介紹。圖8科氏力流量計(jì)測(cè)量原理圖8所示為U形管式科氏力流量計(jì)的測(cè)量原理示意圖。U形管的兩個(gè)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(dòng)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(dòng)。U形管的振動(dòng)迫使管中流體在沿管道流動(dòng)的同時(shí)又隨管道作垂直運(yùn)動(dòng).此時(shí)流體將受到科氏力的作用.同時(shí)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(dòng)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(gè)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(jì)的質(zhì)量流量具有確定的關(guān)系。因此.測(cè)得這個(gè)變形量.即可測(cè)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(dòng)可視為繞O-O為軸的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng).轉(zhuǎn)動(dòng)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?yàn)橘|(zhì)量流量和流速可分別寫為：..式中為時(shí)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(dòng)過程中.角是不斷變化的.并在管端越過振動(dòng)中心位置Z-Z時(shí)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(shí)越過中心位置Z-Z.而存在時(shí)間差。由于角很小.設(shè)管端在振動(dòng)中心位置時(shí)的振動(dòng)速度為.〔.則〔1-16從而〔1-17將上式代入式〔1-15.得〔1-18對(duì)于確定的流量計(jì).式中的和是已知的.故質(zhì)量流量與時(shí)間差