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1、质量流量计测量原理与应用2012.8.26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 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到流体质 量，或是同时测量流体的体积流量和
2、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质量流量测量技术的发展 流量测量技术的发展与应用和需求是相互依存的，应用和需求 是
3、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睐。这是因为它能够高准确度的直接测
4、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，科里奥利质 量流量计，它是根据科里奥利C
5、oriolis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 荡驱动器、支撑结构和壳体所组成。 科里奥利质量流量计典型
6、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。它用来向传感器提 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
7、，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
8、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测量原理到底什么是科里奥利力 ？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Coriolis力。例如设参照 系是一个以恒定角速度绕轴O
9、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l科式力质量流量计是根据科里奥利加速度理论制 成的流量计，其工作原理如图：CMF测量原理基本理论 AtArvOwl有一直管段，以角速度绕定轴O在平面内转动 ，管内有一质点m沿管以速度v向外移动。由于质 点m处在既有旋转，又有直线运动的体系中，因 此它将获得两个加速度分量：向心加速度r，其量值为2r，方向朝向O轴。切向
10、加速度t，其量值等于2，方向与r 垂直；它来自旋转管道，同时对管道产生反作用 力，这就是科里奥利力。 CMF测量原理基本理论 l其计算公式为：Fc=2Vm式中，Fc科里奥利力，N；角速度，1/S；v旋转系中径向速度，m/s；m运动体质量，kg。CMF测量原理基本理论 l当密度为的流体在旋转管道中以恒定速度流 动时，任何一段长度x的管道都将受到一个 Fc的切向科里奥利力。 CMF测量原理基本理论 由于质量流量为qm=A，所以 直接或间接测量在旋转管道中流动流体产生的科里奥利力 就可以测的得质量流量，这是基本原理。通过旋转运动产生科里奥利力是困难的，目前产 品均代之以管道振动产生。Coriolis
11、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。CMF测量原理基本理论 l我们先通过高准(U管、直管）质量流量计的介 绍，逐步讲解其测量原理。CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 注意：电阻作用是为补偿测 量管因温度变化而引起的刚 性变化，进而引起流量百分 比误差。CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CM
12、F测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理 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：传感器内是U型流量管（没有流体流经流量管时，流量管 由安装流量管端部电磁驱动线圈驱动，其振幅小于1mm， 频率约为80Hz，流体流入流量管时被强制接受流量管上 下垂直运动。流量管向上振动半个周期内，流体反抗管 子向上运动而对流量管施加一个向下力；反之，流出流 量管流体对流量管施加一个向上力以反抗管
13、子向下运动 而使其垂直动量减少。这便导致流量管产生扭曲，振动 另外半个周期，流量管向下振动，扭曲方向则相反，这 一扭曲现象被称之为科里奥利(Coriolis)现象，即科氏 力。 CMF测量原理CMF测量原理 CMF测量原理CMF测量原理l牛顿第二定律，流量管扭曲量大小完全与流经流 量管质量流量大小成正比，安装于流量管两侧电 磁信号检测器用于检测流量管振动。当没有流体 流过流量管时，流量管不产生扭曲，两侧电磁信 号检测器检测信号是同相位；当有流体流经流量 管时，流量管产生扭曲，导致两个检测信号产生 相位差，这一相位差大小直接正比于流经流量管 质量流量。 CMF测量原理CMF测量原理l质量流量计主
14、要依靠流量管振动来进行流量测量 ，流量管振动，以及流过管道流体冲力产生了科 氏力，致使每个流管产生扭转，扭转量与振动周 期内流过流管质量流速成正比。一个流管扭曲滞 后于另一流管扭曲，质量管上传感器输出信号可 电路比较，来确定扭曲量。 CMF测量原理CMF测量原理l电路中由时间差检测器测量左右检测信号之间滞 后时间。这个“时间差”T数字量测量、处理 、滤波以减少噪声，提高测量分辨率。时间差乘 上流量标定系数来表示质量流量。温度影响流管 钢性，科氏力产生扭曲量也将受温度影响。被测 量流量不断由变送器调整，后者随时检测粘流管 外表上铂电阻温度计输出。变送器用一个三相电 阻温度计电桥放大电路来测量传感
15、器温度，放大 器输出电压转化成频率，并由计数器数字化后读 入微处理器。 CMF测量原理CMF测量原理l下面通过实际计算，来进一步了解质量流量和相 位差的关系。l图3.3.4显示一个流体，经过一个测量管，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,m包含在长度L测量管中的质量(即半管中的流体质量)。图图3.3.4测测量管转动转动 示意图图 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 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。质量流量qm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 、qm =m/t这样通过取代qm =mv/L式中L是管长,式(3)变成:M=4r qm L
