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1、质量流量计知识讲解,为什么要测量质量流量?,温度变化 体积1 体积 2 质量 1 = 质量 2,质量 1 体积 1,质量2 体积 2,1.热式质量流量计 这种流量计是在流体管壁外设置热源，利用流动气体传递的热量与质量的关系，在其上下游产生温度变化而得到气体的质量流量。 2.冲量式质量流量计 这种流量计是利用物料流体在一定的高度下落的冲量产生的力，采用直接测力方法而得到流体质量流量。 3.科里奥利式质量流量计 这种流量计是利用流体在振管内产生的科氏力，采用直接测量科氏力的方法得到流体质量流量。,质量流量计的分类,热式质量流量计（以下简称TME）是利用传热原理，即流动中的流体与热源（流体中加热的物
2、体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表，过去我国习称量热式流量计，采用这种原理有两种实现方法：一是恒功率法，二是恒温差法。当前主要用于测量气体。,1.1 热式质量流量计,流速传感器的温度高于感温传感器一定温度T。当气体流经流速传感器时，产生热量扩散，这样电路单元提供相应的能量使两个传感器温差维持恒定温度T ，电路单元提供的能量与电流成比例关系，通过输出电信号可测出流量。,恒温差法原理,参比RTD测量气体温度 电子单元给加热探头持续提供能量 通过电子单元调解，保持恒温差 随着质量流量的增加，气体分子将热量扩散开来。 对加热探头的总能量正比于质量流量。,恒温差法原理,传感器元件包括两
3、个热电阻，其中一个是感温电阻，另一个为加热电阻（温度高于感温电阻），当无流量时，两个电阻的温差最大，当有流量时，加热电阻温度降低，两个电阻温差减少，由于两个RTD之间的温差与过程流速及过程介质有关，从而与流体的流量有关，因此，当有流量时，产生温差.,恒功率法原理,参比RTD测量流体温度 电子单元使加热元件以恒功率加热，在没有流体时温度较高，有流体时温度较低,恒功率法原理,当质量流量增加，流体分子冷却加热单元 非参比RTD测量温度降低 电子单元转换为流量信号 恒功率技术,恒功率法原理,热分布式TMF可测量低流速（气体0.022m/s）微小流量；浸入式TMF可测量低中偏高流速(气体260m/s)，
4、插入式TMF更适合于大管径。 TMF无活动部件，无分流管的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小；带分流管的热分布式仪表和浸入性仪表，虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不大。 TMF使用性能相对可靠。热分布式仪表用于H2 、N2 、O2、CO 、NO等接近理想气体的双原子气体，直接就用空气标定的仪表，实验证明差别仅2%左右；用于Ar、He等单原子气体则乘系数1.4即可；用于其他气体可用比热容换算，但偏差可能稍大些。 气体的比热容会随着压力温度而变，但在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数。,1.2 热式质量流量计优点,热式质量流量计响应慢。 被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变
5、化，测量值会有较大变化而产生误差。 对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量。 对于热分布式TMF，被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值，必须定期清洗；对细管型仪表更有易堵塞的缺点，一般情况下不能使用。 对脉动流在使用上将受到限制。 液体用TMF对于粘性液体在使用上亦受到限制。,热式质量流量计缺点,m =质点 w =角速度 v =径向速度 Fc =科里奥利力,2.1 科里奥利力简介,V = 0,V 0,Fc = -2m v w,Fc,Fc,w = 角速度 Fc = 科里奥利力 = 相位差 A,B =相位传感器 y = 振幅 t = 时间,科里奥利力简介, Fc m,驱动线圈,热电阻 (RTD)
6、,检测线圈,流量管,连接管线,连接传感器和变送器，提供电源，信号通讯,变送器对检测线圈传输来的信号进行处理,2.2 科里奥利质量流量计的工作原理,在双管型质量流量计当中，入口处的分流管把流入的介质均等地一分为二，送到两根测量管中，这样保证了100%的介质流经测量管 两根测量管由于驱动线圈的作用，产生以支点为轴的相对震动。当测量管中有流量时，产生如图所示的科里奥利现象。,科里奥利质量流量计的工作原理,在每个流量管上，均有一组磁铁 / 线圈组，我们称之为入口检测线圈和出口检测线圈。由于相对振动，线圈在磁铁的磁场做切割磁力线的运动，在内部回路产生交流电信号。该信号能准确地反映线圈组间的相对位移和相对
7、速度。通过监测该交流信号，我们可判断测量管的运行状态。,Theory - 3,内部结构,Time,mV,低流量,Time,mV,高流量,在没有流量的情况下，入口和出口处检测线圈监测到的交流电信号是同相位的。当有流量的时候，由于科里奥利作用，流量管产生扭曲，两端的检测线圈输出的交流电信号存在相位差。流量越大，相位差就越大，而且其相位差 T 与流量的大小成正比关系。这样，可以利用 T 作为质量流量的标定系数，即可以用T 来表示每秒有多少克的流量流过。,Theory - 4,质量流量检测原理,密度测量原理,mt,fR,mfl,fR = 谐振频率 mt = 测量管 mfl = 流体质量 fl = 流体
8、密度 c = 常数,fR = (fl),按照弹性模数的理论，弹簧所悬挂物体的质量和它振动的频率成反比。这一概念引入到流量管的振动，整体质量（测量管和内部介质之和）越大，其振动频率就越小。通过检测已知密度（例如标准状态下的水和空气）的介质流经测量管时的频率，可以得到密度与频率之间的线性关系。然后通过振动频率换算到密度,Theory - 5,密度测量原理,D =相位差 m = 质量流量 = RTD 电阻 fR =谐振频率 = 密度 T = 温度,原理总结,Dj m fR r W T,W,r,S形测量管质量流量计,如图所示，这种流量计的测量系统由两根平行的S形测量管、驱动器和传感器组成。管的两端固定
9、，管的中心部位装有驱动器，使管子振动。在测量管对称位置上装有传感器，在这两点上测量振动管之间的相对位移。质量流量与这两点测得的振荡频率的相位差成正比。,电磁驱动系统以固定频率驱动U形测量管振动，当流体被强制接受管子的垂直运动时，在前半个振动周期内，管子向上运动，测量管中流体在驱动点前产生一个向下压的力，阻碍管子的向上运动，二在驱动点后产生向上的力，加速管子向上运动。这两个力的合成，使得测量管发生扭曲；在振动的另外半周期内，扭曲方向则相反。,U形测量管质量流量计,测量管扭曲的程度，与流体流过测量管的值来质量流量成正比，在驱动点两侧的测量管上安装电磁感应器，以测量其运动的相位差，这一相位差直接正比
10、于流过的质量流量。 在双U形测量管结构中，两根测量管的振动方向相反，使得测量管扭曲相位相差180度，如图所示。相对单测量管型来说，双管型的检测信号有所放大，流通能力也有所提高。,U形测量管质量流量计,当测量管中的流体以一定速度流动时，由于振动的存在使得测量管中的流体产生一个科氏力效应。此科氏力作用在测量管上，但在上下两支管上所产生的科氏力的方向不同，管的直管部分产生不同的附加运动，即产生一个相对位移的相位差。,J形管质量流量计,流量测量系统由两个相互平行的B形管组成。被测流体经过分流器被均匀送入两根B形测量管中，驱动装置安装在两管之间的中心位置，以某一稳定的谐波频率驱动测量管振动。在测量管产生
11、向外运动时，如图所示，直管部分被相互推离开，在驱动器的作用下回路L1和L1相互靠近，同样回路L2和L2也相互靠近。由于每个回路都由一端固定在流量计主体上，旋转运动在端区被抑制因而集中在节点附近。,B形管质量流量计,当测量管中流体以速度V在管中流动时，由于受到C点振动力的影响（此时的振动力是向上的），流体质点从A点运动到C点时被加速，质点产生反作用力F1，使管子向上运动速度减慢；而在C点到B点之间，流体质点被减速，使管子向上的运动速度加快。结果在C点两边的这两个方向相反的力使管子产生一个变形，这个变形的相位差与测管中流体流过的质量流量成正比。,单直管形质量流量计,相对单直管来说双直管形可减少压力
12、损失，增大传感器感受信号，其实际中的结构如图所示，驱动器安放与中心位置，两个光电传感器只与中心两侧对称位置上，其中测量管受轴向力的影响很小。当流体不流动时，光电传感器受到的管子所产生的位移的相位是相同的；当流体介质流过两根振动的测量管时，便产生了科里奥利力，这个力使测量管的振点两边发生相反的位移，振点之前的测管中流体介质使管子振荡衰减，即管子位移速度减慢；振点之后的测管中流体介质使振荡加强，即管子位移速度加快。通过光电传感器，测得两端的相位差，这个相位差在振荡频率一定时正比与测管中的质量流量。,双直管形质量流量计,当管子分开时，在振点前的流体中产生的科里奥利力与振动力方向相反，减慢管子的运动速
13、度；而在振点之后管中流体产生的科氏力与振动方向相同，加快管子的运动速度。当驱动器使管子靠近时，则产生相反的结果。在A、B两点的传感器可测的两处管字运动的相位差，由此可得到流过测管中流体的质量流量。,形测量管质量流量计,当测管中流体不流动时，振动力使管子产生的变形，在中间点两边是一样的，传感器处的两测点上，测得的振动位移的相位差为零，当测管中流体流动时，在振幅最大点之前，流体质点由于受到科氏力的作用产生一个与振动方向相反的作用力，而在这点之后产生一个与振动方向相同的作用力，由于在同一时刻两根测量管所受到的作用力大小相等，方向相反，因此反映在两传感器处测点上管子的运动速度得到增大或减小，测量这两点
14、的相位差就可得到通过测量管流体的质量流量。,双环形测量管质量流量计,直接测量质量流量，有很高的测量精确度。 可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。 测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件。 对应对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。 测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值得值的影响微小。 可做多参数测量，如同测量密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。,2.3科里奥利式质量流量计优点,零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高，使得许多型号仪表只得采用将总误差分为基本误差和零点不稳
15、定度量两部分。 测量低密度介质和低压气体误差大；液体中含气量超过某一限制（按型号而异）会显着著影响测量值。 对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的流量传感器安装固定要求较高。 不能用于较大管径，目前尚局限于300mm以下。 测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁管测量管的更为显着。 部分产品压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号甚至比容积式仪表大100%。 大部分型号CMF重量和体积较大。 价格昂贵。国外价格5000 10000美元一套，约为同口径电磁流量计的2 5倍；国内价格约为电磁流量计的2 8倍。 绝大部分产品采用四线制，耗电功率大,科里奥利式质量流
16、量计缺点,1. 质量流量计的安装状态应该是无应力状态，流量计安装应与管线在同一轴线上，而且应在质量流量计传感器附近做支撑，绝不能用传感器来支撑管道，这样可以消除振动，减少误差。 2.选择的安装地点应远离大变压器或电机，因为传感器与变送器之间连接的电缆被诸如马达等发射的电磁场覆盖或靠近，就会造成干扰，使读数不准确而产生误差。还有，安装时要根据流体不同性质而选择不同的安装朝向，也就是要始终保持传感器管子里流体处于充满状态。 3.夹带汽泡。用于液体流量测量时，当雾沫状气体含量超过15的体积含量时，质量流量计将停止工作。这些汽泡衰减了用以产生科氏力的流量管的振动，应将气体消除在传感器之前。如果难以实现，则尽量减少气体含量(尽可能提高传感器内的压力)，以保证汽泡被均匀地分散为较小的汽泡(保持较高的液体流速)。当液体的压力低于其蒸汽压时，将产生汽泡。由流量管的几何形状和液体流动所引起的传感器两端的压降能够将液体的有效压
