质量流量计原理

质量流量计原理 质量流量计原理 2007-12-24 01:34 第一节 概 述 目前广泛应用的流量计无论是差压式、靶式、涡轮、电磁或容积等型式从原理上看都足测量容积流量的。由于流体的容积大小受其温度、压力等参数的影响当被测流体的温度、压力坐化时应把所测量的容积流量换算成标准状态或某一约定状态下的相应值。但事实上当温度、压力频繁变动时进行及时的换算是很困难的有时是不可能的。 因此希望用质量流量计来测量质量流量。另外、在实际生产中由于要对产品进行质量控制、对生产过程中各种物料混合比率进行测定、成本核算以及对生产过程进行自动调节等也必须了解质量流量。随着工业生产技术的发展和自动化水平的提高例如实现大型发电机组的全程自启停、对核电站气、液二相流的规定以及对电厂热力经济性进行更准确的评价等都使得质量流量测量技术日益重要: 容积流量Q和质量流量M之间的关系是 MQ 10-1 或 MA 10-2 式中 ----被测流体的密度kgm3 A----流体的流通截面一般为管道的流通截面 m2 ----流通截面A处的平均流速ms. 质量流量计分间接式〔推导式〕和直接式两类。根据式10 -1测量质量流量的仪必须先测量积流量再乘被测流体的密度通过密度计和乘法器实现这种仪表称为间接式质量流量计或推导式质量流量计。日前 密度计由于结构和元件特性的限制在高温、高压下尚不能运用只能采用固定的密度数值乘容积流量。众所周知介质密度随着压力、温度的变化而异在变动工况下采用固定的密度值将带来较大的质量流量测量误差故必须进行参数补偿据此发展了温度、压力补偿式流量计。检测出被测流体的温度、压力然后按一定的模型自动换算出相应的密度值 得到密度值与容积流量值的乘积便可实现质量流量测量故称为温度、压力补偿式质量流量计。温度、压力补偿式质量流量计是当前工业上普遍应用的一种推导式质量流量计的特殊形式。 直接检测与质量流量有关的量来反映质量流量大小的流量计称为直接式质量流量计。 研制直接式质量流量计 目的在于使最后代表质量流量的输出信号与被测介质的压力、温度等参数无关以解决当介质参数变化范围很大其密度和温度、压力之间的关系不能看成线性而采用温度、压力自动补偿方式又很困难和繁琐的问题。这也是在温度、压力自动补偿式质量流星计已得到广泛应用的同时 还要开展直接式质量流量计研究的理由。 由于对直接式质量流量计需求的迫切性近几年才较强烈 因此它正处于迅速开发阶段虽已有多种类型但由于受原理、结构、维修、寿命及价格等方面的限制在以用工业中尚未广泛应用。本章重点讲述间接式质量流量计 直接式质量流量计只作一般介绍。 第二节 直接式质量流量计 直接式质量流量汁是由检测元件直接反映质量流量的仪表目前巳利用不同原理开发出多种类型如动量及动量矩式、惯性力式、科里奥利力式、差压式、振动式、热式等。每一种型式又有多种结构例如差压式有: 乌格努斯质量流星计、振动皮托管质量流量计、粉体桥式质量流星计流体涌出形质量流量计等振动式有悬臂振动及旋转振动型质量流量计、表面进行波型质量流量计等. 型式繁多难以一一叙述。现仅就常见的应用较多的型式进行简述对有代表性的结构作重点介绍。 目前常见的直接式质量流量计有双涡轮质量流量计、动量矩式质量流量计、惯性力式质景流量计、科里奥利式质量流量计以及热式质量流量计等。 双涡轮质量流量计的结构原理是两个由弹簧连接的涡轮受流体本身的流动能量冲击而旋转因两涡轮叶后螺旋倾角不同而造成力矩差该力矩差由连接弹簧所平衡并使两涡轮间形成扭角扭角的大小与质量流量成比例测量因扭角造成的信号时间差可得质量流量。这种结构的优点是检测元件利用内能源工作 不需外加能量结构简单但对弹性元件的性能要 求较高 且需在设计上考虑消除流体受第一个涡轮扰动后对第二个涡轮的影响以及在流体扰动影响下两个涡轮之间可能发生的扭曲振动。 动量矩式和惯性力式质量流量计是根据牛顿第二定律的原理制作的从力学角度来说质量是物体惯性的量度。物体受外力作用运动状态发生变化其变化量的大小与质量有关. 测量运动状态对时间的变化率 即可测得质量流量据此可以创造多种结构的质设流量计. 动量矩式质量流量汁是用流体动量矩的变化反映质量流量的. 其典型结构是在仪表壳内存一个主动轮和一个从动伦分别装在短轴上电动机以恒定角速度 驱动主动轮. 设流体的等效旋转半径为l 则流体的平均流速 。若流体的质量为m则动量矩Jm 。由于从动轮被弹簧限制不能旋转所以测出弹簧的制动力短即可反映动量矩。此动量矩对时间的变化率 . 因 系定值 故测量 即可反映质量流量M 。而惯性方式质量流量计一般是利用被则流体流经以等速转功的可动测量管件时得到一个附加加速度从而可动管件管壁受到流体给的与加速度反方向的惯性力此惯性力与质量流量成比例 由测量惯性力或惯性力矩可测得质量流量。与双涡轮质量流量计相比较动量矩和惯性力式质量流量计都需要外能源才能工作。达一类流量计目前发展较快和应用较广的是一种被称为科里奥利式质量流量计它是通过测量科里奥利力的变化来反映质量流量大小的。所谓科里奥利力是指处于匀角速度转动参照系中的运动物体对在转动参照系中的观察者看来该物体除了要附加惯性离心力的作用外还耍附加另外一种惯性力的作用才能利用牛顿第二定律来描述物体的运动状态这种力就是科里奥利力简称科氏力。例如以一个圆盘为转功参照系若圆盘绕中心轴转动 其角速度为 设一物体由旋转中心沿圆盘半径以速度 相对于圆盘作匀速直线运动则该物体除了受惯性离心力外还受到科里奥利力的作用科氏力的大小决定于圆盘的角速度 和物体的径向速度 . 设科氏力以fc表承则其表达式为 10—3 式中 m——运动物体的质量 ——物体在转动参照系中的运动速度 ——转动参照系的角速度。 如上所述科里奥利力的存在是以径向速度 和转动角速度 同时存在为先决条件的任一速度为零都不会产生科里奥利力。 由式10—3可以看出当转动角速度 一定时科氏力f c正比于物体的质量与速度之积m 这正是利用科里奥利力测量质量流量的最原始的理论依据。在流量测量中使被则流体以某流速 流过以 角速度转动的可动管件以达到 与 同时存在的条件 此可动管件称之谓流量测量管。测量管可以用旋转方式或周期振动方式来实现所需的 值。当流体流过测量管时 相当于流过角速度以一定周期变化方向的旋转式测量管 同样会产生科氏效应而在结构上相对比较简单。 为了求出科里奥利力与质量流量的关系式 以振动式单U形管结构为例如图10—1所示测量管在电磁驱动系统驱动下以固有振动频率作周期性上下振功。当流体流过振动管时流体被强制接受管子的垂直动量。以管子向上运功的振动半周期为例设其角速度为 则U形管流入侧受到的科里奥刊火为 10—4 式巾 m——测量管中流体的质量kg ——被训流体沉迪mq ——测量管向上方运动的角速度 rad/s。 图10—1所示 振动式单u形流量测量管 质量流量的定义为单位时间流过通流截面的流体质量即 M 10--5 式中 m——在时间t内流过测量管中流体的质量kg t——流体流过测量管的时间。 对匀迎流体: 10—6 式中 l——测量管长度m 将式10--6代入式10—5再代人式10—4得 fc 2 10—7 由式10—7得 M c 10—8 由于测量管的长度l及其? Φ慕撬俣?均为常数故 为常数设k 则 Mkfc 10—9 式中 k----与测量管长度l及角速度 有关的常数 其余符号同前。 由式10—9可知质量流量M与科里奥利力f c成正比。当测量管的结构及其振动的驱动系 统确定后k则为已知常量测量科氏力f c即可求得质量流量M同理若测量管向下运动的振动半周期或流出侧管内的流体时也会得到同样的结论。 采用不同的测量科氏力f c 以及选择不问形式的测量管结构和用不同的方式使测量管获得需要的转动角速度 可以制成多种类型的科里奥利力质量流量计。只要所有被测流体都流过测量管流体的质量流量就可直接测得 对单U形振动管 也常利用测量U形管的形变量来反映科氏力fc的大小。因为流体在U形管流入侧及流出侧的流动方向相反所以u形管的两侧管受到大小相问、方问相反的科氏力。科氏力的作用造成测量管变形。形变量的大小与科氏力成正比即与质量流量成正比。一般的仪表检测方式是通过位于流量测量管两侧的电磁感应器测量在这两点上管子振动的速度和由于管子的变形引起这两个速度信号之间的时间差然后把此信号送到转换器转换器将信号进行处理并转换成直接与质量流量成正比的电信号输出。 若采用两个U形振动管作流量测量管两根管子的振动及变形相位差180?用它们合成的变形量来确定质量流量这样可以提高仪表的灵敏度。 科里奥利力式质量流量计除了上述采用U形管式结构外现有产品还有直管式质量流量计、Li—Lee质量流量计、旋转陀螺式质量流量计、振动陀螺式质量流量计、旋转振功式及悬臂式质量流量计等 热式质量流量计也是目前发展较快的一种直接式质量流量计它的基本原理是利用外热源对被测流体加热测量因流体流动造成的温度场变化来反映质显流量。温度场的变化用加热器前后端的温差来表示。被测流体的质量流量M与加热器前后端温差 之间酌关系是 10--10 式中 P—— Cp------被测流体的定压比热 ——加热器前后端的温加热器的功率 J-----热功当量 度差。 由上式可知 若采用恒定功率法 则温差 质量流量M成反比测得温差 即可求得M假若采用恒定温差法则加热器输入功率P与质量流量成正比测得加热器输入功率P则可求得M值。在使用上恒定温差法 无论从特性关系或实现测量的手段看都较恒定功率法简单从功率表上读出P值即可得到M值因而应用广泛。 热式质量流量计根据热源及测温方式的不同可分为接触式和非接触式两种。 1接触式热式质量流量计 这种质量流量计的加热元件和测温元件都置于被测流体的管道内与流体直接接触常被称为托马斯流量计适于测量气体的较大质量流量. 其结构原理如图10—2所示。由于加热及测量元件与被测流体直接接触因此元件易受流体腐蚀和磨损影响仪表的测量灵敏度和使用寿命。测量高流速、有腐蚀性的流体时不宜选用这是接触式的缺点。 2非接触式热式质量流量计 这种流量计的加热及测温元件都置于流体管道外与被测流体不直接接触克服了接触式的缺点。热式微流量行是非接触式质量流量计的典型结构如图10—3所示。仪表的测量导管为薄壁小口径镍管镍管外部两侧缠绕铂电阻丝3、5作为测温线圈并作为没量电桥的两臂R1、R2。两测温线圈的中间缠绕着锰铜丝加热线圈4作为仪表的加热器。当流体静止时由于测温线圈对称地安装在加热器两侧且阻值相等各100 左右因此测量电桥处于平衡状态。但当流体在镍管中流经测温电阻时就破坏了加热器的温度场两测温线圈处于不同的温度场内因而引起电阻值发生变化。两测温线圈阻值不等破坏了电桥的平衡。根据电桥平衡原理由检流计8测得电阻值的变化 即可求得质量流量M。 图10--2 接触式热式质量流量计结构原理 l、3—热电偶2一加热器4一功率表 图10—3 非接触式热式质量流量计 1—测量导管 2—等温外壳 3—测温线圈 4—加热线圈 7—调零电阻 8—检流计 热式微流量计适用于测量液体和气体的微小质量流量。可测0--100cm3h的微小液体流量和l0Lh左有的微小气体流量。 为了使结构简化有些产品取消了加热器只用两只测量电 阻既作加热元件又作为测温元件。这种设计由于热惯性的原因仪表反映速度比较小灵敏度较低 被测流体温度变化影响仪表指示的准确度。 为了提高非接触热式质量流量计的流量测量范围设计了一种边界层质量流量计它利用测量流体靠近管壁的边界层的热传导来反映流量的大小用这种方式测量流量一般是利用控制管外壁的加热器给出的热量来保持边界层内外温差恒定然后根据热员测量反映质量流量。 热式质量流量计目前发展较快的有?认咧柿苛髁考啤?呓绮阒柿苛髁考啤?至魇饺让 腹苤柿苛髁考埔约坝肐C基板技术的热式质量流量计等。 科氏力质量流量计的工作原理和典型结构特性 中国计量研究院流量室 李旭 一、 工作原理 如图一所示截取一根支管流体在其内以速度V从A流向B将此管置于以角速度ω旋转的系统中。设旋转轴为X与管的交点为O由于管内流体质点在轴向以速度V、在径向以角速度ω运动此时流体质点受到一个切向科氏力Fc。这个力作用在测量管上在O点两边方向相反大小相同为 δFc 2ωVδm 因此直接或间接测量在旋转管道中流动的流体所产生的科氏力就可以测得质量流量。这就是科里奥利质量流量计的基本原理。 图1 科里奥利 2 早期科氏力质量流量计 二、 结构 早期设计的科氏力质量流量计的力的形成 图 结构如图2所示。将在由流动流体的管道送入一旋转系统中由安装在转轴上的扭矩传感器来完成质量流量的测量。这种流量计只是在试验室中进行了试制。 在商品化产品设计中通过测量系统旋转产生科氏力是不切合实际的因而均采用使测量管振动的方式替代旋转运动。以此同样实现科氏力对测量管的作用并使得测量管在科氏力的作用下产生位移。由于测量管的两端是固定的而作用在测量管上各点的力是不同的所引起的位移也各不相同因此在测量管上形成一个附加的扭曲。测量这个扭曲的过程在不同点上的相位差就可得到流过测量管的流体的质量流量。 我们常见的测量管的形式有以下几种S形测量管、U形测量管、双J形测量管、B形测量管、单直管形测量管、双直管形测量管、Ω形测量管、双环形测量管等下面我们分别对其结构作一简单介绍。 1 S形测量管质量流量计 如图3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。 图3 S形质量流量计结构 这种质量流量计的工作原理及工作过程如图4所示。 图4 无流动时位移传感器的输出 当测量管中流体不流动时两根测量管在驱动力作用下作用在每根管子上的力大小相等、方向相反作对称的等振幅运动。由于管子两端是固定的在管子中间振幅最大到两端逐渐减为零。这时在两个传感器上测得的相位如图4B所示由图中可以看出两传感器测得的相位差为零。当测量管内流体以速度V流动时流体中任意值点的流速可认为是两个分流速的合成水平方向Vx及垂直方向Vy与振动方向相同。在恒定流条件下流体沿水平方向的流速Vx保持恒定。从图5中可以看出管子的进、出口处振幅为零流体质点垂直移动速度Vx为零 图5 振动管受力分析 当流体质点有进口流入图示振动方向的测量管时流体质点的垂直流动速度为Vy同样在流体质点流向出口时其垂直流动速度为-Vy。由此可以推出流体质点在通过振动的测量管时垂直方向的速度是一个从零逐渐加大直到中间最大再逐渐减小到零的过程。由力学原理可知速度的变化是由加速度引起的而加速度是力作用于其上的结果。根据这个原理称这个垂直速度变化为科氏加速度Ac因此作用于流体质量M上的科氏力为FcMac。在测量管上与中心距离相等的两点上作用的科氏力大小相等方向相反。 此科氏力作用在测 量管上就产生了如图5所示的结果即在中间点上产生一对力引起测量管轻微的扭曲或变形。而实际上在振荡运动时是两根S管同时所受的振荡其运动方向相反受力相等如图6所示。 图6 作用在测量管上的科氏力 随着振荡运动的进行测量管被周期性地分开、靠拢科氏力也周期性地作用在两根测量管上通过安装在测量管上的位移创按其A、B测出由科氏力引起的测量管相对位置的变化通常转化为测两点的相位差如图7所示。这个相位差的大小与质量流量成正比。 图7 位移传感器的输出 2 U形测量管质量流量计 如图8所示U形管为单、双测量管两种结构单测量管型工作原理 图8a 单U形管结构 图8b 双U形管结构 如图9所示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。 图9 U形管工作原理 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 U形测量管结构中两根测量管相位差这一相位差直接正比于流过的质量流量。 在双 的振动方向相反使得测量管扭曲相位相差180度如图10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。 图10 测量管变形示意图 3 双J形管质量流量计 如图11所示两根J形管以管道为中心对称分布安装在J形部分的驱动器使管子以某一固定的频率振动。 图11 J形管质量流量计结构 其工作原理如图12所示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。 图12 J形管工作原理 在双J形管测量系统中两根管在同一时刻的振动方向相反加大了其上部与下部两直管间的相对位移的相位差。如图13 所示在流体不流动时从A、B两传感器测得的位移信号的相位差为零。 图13 无流动时测量管振动状态 当测量管内的流体流动时在驱动其振动的某一方向上科氏力产生的反作用力在测量管上的影响结果如图14所示管1分开和管2靠近时管1上部运动加快下部减慢管2则在相反的方向上同样上部加快下部减慢结果在上部和下部安装的传感器测得的信号之间存在一个相位差如图15所示。这个信号的大小直接反映了质量流量。 图14 有流动时测量管振动状态 图15 传感器输出信号 4 B形管质量流量计 如图16所示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。在测量管产生向外运动时如图17a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。 图16 B形管质量流量计结构 而回路中的流体在科氏力作用下示的回路L1和L1相互靠近的速度减慢而另一端L2和L2两回路相互靠近速度增加。 图17 B形管工作时的受力状态 在测量管产生向内运动时如图17b所示则相反的情况发生。直管段部分在驱动力的作用下相互靠近而两断面上的两回路朝相互离开的方向运动。管道内流体产生的科氏力叠加在这个基本运动上会使L1和L1两回路的分离速度加快而使L2和L2两回路的分离速度减小。 通过在端面两回路之间合理的安装传感器这些由科氏力引入的运动就可用来精确测定流体的质量流量。 5 单直管形质量流量计 这种流量计的结构如图18所示测量系统由一两端固 定法兰的直管及其上的振动驱动器组成。 图18 单直管质量流量?平峁?在管中流体不流动时驱动器使管子振动管中流体不产生科氏力A、B两点受力相等变化速度相同如图19b所示。 图19 单直管质量流量计工作原理 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.