质量流量计测量原理与应用讲义

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1、质量流量计测量原理与应用 质量流量计测量原理与应用 一、质量流量计基本概念 二、质量流量测量技术的发展 三、科里奥利质量流量计典型结构和工作原理 四、科里奥利质量流量计的应用 质量流量计测量原理与应用 质量流量计基本概念 (一) 仪表定义 (二) 仪表分类 (三) 仪表的测量特性 (四) 仪表测量的不确定度 质量流量计基本概念仪表定义 质量流量计是对被测介质的流量进行连续 测量，测量结果是以公斤或吨等工程单位显示 出来的流量仪表。 质量流量计基本概念仪表分类 质量流量计是一种推理式流量计，按测量方法可以 分为二大类：一是质量流量间接式测量，即同时测量流 体的体积流量和密度值，由运算放大器计算得

2、到流体质 量，或是同时测量流体的体积流量和温度、压力值，利 用流体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量 ；二是质量流量直接式测量方法，流体测量直接反映质 量流量值，与流体的温度、压力和密度等参数的变化无 关。 质量流量计基本概念仪表分类 1、间接式质量流量计 （1） 压力温度补偿式差压流量计 （2） 压力温度补偿式体积流量计 2、直接式质量流量计 （1） 热式质量流量计（TMF） a、 托马斯流量计 b、 边界层流量计 c、 旁路管流量计 （2） 冲量式质量流量计（冲板） （3） 差压式质量流量计（孔板+定流量泵） （4） 双涡轮式质量流量计 （5） 科里奥利式 质量流量计基本概念仪表的

3、测量特性 仪表的测量特性(静态特性和动态特性) 静态特性 ： 是指被测量的值处于稳定状态时的输入与输出的关 系。对静态特性的基本要求是：输入为零输出亦为零， 输出与输入成惟一的对应关系。 表征静态特性的参数有：静态变换函数、静态特性曲线 、仪表系数、流出系数、流量范围（量程）、线性度、 灵敏度、迟滞、稳定性、零漂、重复性、精确度和压力 损失等。 质量流量计基本概念仪表的测量特性 动态特性 是指被测量对象的输入值瞬态快速变化时，输出值 的时间响应或频率响应特性。 （1） 时间域 被测对象输入值为阶跃信号时，输出值的时间响 应特性。其品质指标可用时间常数表示。时间常数是指 输出值达到63%稳态值时

4、的时间，用S表示。 （2） 频率域 被测对象输入值按正弦波频率变化时，输出值的频 率响应特性。流量计的输出值与输入值的比值随频率而 变化的特性称为频率响应特性。 质量流量计基本概念仪表测量的不确定度 1、测量误差组成 流量测量误差出现的特点可分为系统误差、随机误差和粗大误差。 2、测量的不确定度 （1） 标准不确定度的A类评定 （2） 标准不确定度的B类评定 （3） 合成标准不确定度 （4） 扩展不确定度 （5） 测量不确定度计算与表示 3、流量测量的不确定度 首先求的各参数A类和B类不确定度，然后进行合成标准不确定度和扩 展不确定度的计算。 质量流量测量技术的发展 流量测量技术的发展与应用和

5、需求是相互依存的，应用和需求 是推动流量测量技术发展的动力。 目前，质量流量的各种测量方法，包括间接式和直接式测量方 法，都有一定的应用。质量流量间接测量方法，因为引入了多个中 间参数的测量，然后进行运算和修正，因而积累误差较大，但因其 具有传统方式的继承性，用户又比较熟悉，在一些测量准确度要求 不高的场合，应用仍比较多。尤其是采用补偿式方式测量气体的质 量流量或气体标况体积方面的应用十分广泛。 质量流量测量技术发展的重点是质量流量直接式测量方法，以 提高测量准确度，实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、 高可靠的测量。在质量流量直接式测量方法中，科里奥利质量流量 计已经受到各方面用户的青

6、睐。这是因为它能够高准确度的直接测 量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大， 又适合应用于高粘度流体。 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理 （一）概述 （二） CMF基本结构 （三） CMF测量原理 科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转 系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式 质量流量仪表。 从1950年开始，科学家和工程师们花费了许多年试验、开发质 量流量仪表，借此消除容积测量的误差及昂贵不便的称重法。在 1970年后James.E.Smith美国高准（Micro Motion）公司的创始 人成功地开发了第一个可应用于工业的质量流量计

7、，科里奥利质量 流量计，它是根据科里奥利Coriolis效应原理研制而成的。1984年 James.E.Smith将所发明的“U”型振动管式的科里奥利质量流量计 (Coriolis Mass FlowCMF)投入市场。 之后各国仪表厂相继开发生产。我国CMF的应用起步较晚，设 计生产CMF的厂家仅有太行仪表厂等，还有几家制造厂组建合资企 业采用国外技术组装生产销售质量流量仪表。 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-概述 科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成 。 1、流量传感器 流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感 型谐振式传感器。该传感器由振动管、信号检测器、震 荡驱动

8、器、支撑结构和壳体所组成。 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构 图3.2.1 双U型管质量流量传感器结构示意图 图3.2.2 双直型管质量流量传感器剖面图 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构 2、流量变送器 是以微处理为核心的电子系统。它用来响传感器提 供驱动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其 他一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质 量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。流量变送器 一般输出标准电流信号或频率信号，并可按一定的通讯 协议，实现与上位机和DCS系统的交联与远传通讯。变 送器

9、上的显示面板可以组态显示所要求的各种参数。 有的流量变送器，没有显示面板和操作键盘，只有 模拟量或频率量输出。在实际应用中需要另外配备二次 仪表和手操器实现参数显示、流量累积和操作组态。 3、流量传感器的测量管结构形式 科里奥利质量流量传感器的测量管有各种不同的结构 形式： （1）按照测量管的数量可将其分为单管型、双管型和连 续管型三种结构。 （2）按照测量管的形状可分为直管型和弯管型两大类。 目前，科里奥利质量流量传感器的检测振动管管形已 发展到二十多种。无论振动管形状如何，基本原理是一致 的，都是根据Coriolis效应原理测量流量质量的。 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本

10、结构 图3.2.3 典型的测量管管型图 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF基本结构 CMF测量原理 1 、基本理论 2、 CMF测量原理 3、信号处理系统 科里奥利质量流量计典型结构和工作原理-CMF测量原理 CMF测量原理基本理论 1、基本理论 Coriolis效应是一种自然现象，于1835年在巴黎可尔Ecole工业大 学的数学教授Gaspard.Gustave de Coriolis定量的。Coriolis效应可 解释在地球表面上自由运动的物质为什么会看似弯曲运行在一个转 动参照系中当一个物体相对于该系而平移时，除了向心力外还有另 一个附加力作用在该物体上，这个力称为Coriol

11、is力。例如设参照系 是一个以恒定角速度绕轴O而转动的圆盘（图3.3.1），其转动方向 图中矢量所示，当一个物体以速度V沿半径运动时，就有一个“惯性 力”FK=2 V m作用于该物体上， 此力的方向垂直于V，力FK就是 Coriolis力，此力即依赖于物体相对于 转动参照系的速度V，也依赖于参照 系转动的角速度。 图3.3.1 传动系 Coriolis质量流量计就是将 永恒的旋转运动变成了振动在 检测器有一个电磁驱动系统， 它驱动测量管以它固有的频率 振动，这就形成了一个转动参 照系，它的振动与调谐振音叉 相类似。 当一个位于旋转体内的质 点作朝向或远离旋转中心的运 动时，将产生一惯性力， 图

12、3.2.2表示这一原理。 图3.3.2 旋转管道中的科氏 力 CMF测量原理基本理论 当质量为m的质点以匀速V在一个围绕固定点O并以角速度旋 转的管道移动时，将沿着旋转的法线方向存在一个向心力 Fr=2rm；沿着切线方向质点对管壁也产生一个反作用力， Fc=2Vm，这个力就是Coriolis力 Fc=2Vm Fc=Coriolis力 =旋转体的角速度 V=质点在旋转体中的经向速度 m=质点的质量 上式表明,在旋转角速度一定的条件下,一个质点的Coriolis力 的大小与该质量的流速成正比。因此直接或间接测量在旋转管道中 的流体所施加的科里奥利力就可以测得质量流量。这就是CMF的基 本原理。 C

13、MF测量原理基本理论 2、 CMF测量原理 以Micromotion的U型振动管为例，对Coriolis质量流量计的测 量做定量分析： Micromotion的U型振动管，通常振幅小于1mm， 频率大约为80Hz.图3.3.3为振动中的测量管,流体 被强制接受管子的垂直动量,在管子向上运动的 振动半周期时,流入仪表的流体向下压,抵抗管子 向上的力.反之,流出仪表流体存在向上的务,抗 图3.3.3振动中的测量管 拒管子对其垂直量的减少而把管子向上推。两个反作用力合成引起 流量测量管扭曲；这就是Coriolis效应。在振动的另外半周期，管子 向下运动而扭曲方向就相反。图书馆显示一个流体，经过一个测

14、量 管，有一个质量m和速度V，它以相对OO轴线的角速度旋转。 因而产生Coriolis： CMF测量原理CMF测量原理 F=2m V （1） 式中F和是矢量,Mj包含在长度L测量管中的质量(即半管中的流体质量)。 图3.3.4测量管转动 示意图 流体的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果从尾端观看这 个测量管是两个引线（在图3.3.4中从RR轴线看进去），由在入口与出口 管线上的流体产生的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。 由于管子相对OO轴振动，这个力产生一个相对于RR轴的振动力矩M （半径是r）。 CMF测量原理CMF测量原理 M=F1r1+F2r2 （2） 由于F1=F2

15、r1=r2由式子（1）和（2）得出： M=2Fr=4Vmr (3) 质量m是由密度、管截面积A和长度L定义的，速度V是由单位时间的单位L 定义的。质量流速Q是由每单位时间内通过的一个给出点质量决定的，那就 是m=AL及V=L/t 、Q=m/t这样通过取代Q=mv/L式中L是管长, 式(3)变成:M=4rQL (4) 力矩M产生一个角度偏转即 扭转角,相对于RR轴线。 这扭转角在振动管移动的中 点最大(图3.3.5所示) 图3.3.5 由测量管尾端所显示泊流体力 CMF测量原理CMF测量原理 然而，由M产生的偏转被测量管的伸展弹力K所抵制，总之，对于 任何的扭转弹力，扭矩T定义为T=K（5）由于T=M，现在通过组 合（4）与（5）式，质量流速Q能与偏转角度联系成相关式子。 K Q= （6） 4rL 在管子轴线中心的移动速度Vt（线速度）乘以时间间隔，就与用几 何图形表示的有关系。 Vt t Sin= （7） r CMF测量原理CMF测量原理 由于很小，它几乎等于Sin,对于小的旋转角Vt是和管长L的 乘积，那就是=Sin、Vt=L，这样式（7）变成： Lt = （8） r 综合式（6）和（8）得出： KLt K Q= = t （9） 4r2L 4r2 CMF测量原理CMF测量原理 这样质量流量计Q只与时间间隔t和几何常数成比例