第一節(jié) 概 述
目前廣泛應(yīng)用的流量計(jì)，無(wú)論是差壓式、靶式、渦輪、電磁或容積等型式，從原理上看都足測(cè)量容積流量的。由于流體的容積大小受其溫度、壓力等參數(shù)的影響，當(dāng)被測(cè)流體的溫度、壓力坐化時(shí)，應(yīng)把所測(cè)量的容積流量換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)或某一約定狀態(tài)下的相應(yīng)值。但事實(shí)上當(dāng)溫度、壓力頻繁變動(dòng)時(shí)，進(jìn)行及時(shí)的換算是很困難的，有時(shí)是不可能的。 因此，希望用質(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量。另外、在實(shí)際生產(chǎn)中，由于要對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制、對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中各種物料混合比率進(jìn)行測(cè)定、成本核算以及對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)等，也必須了解質(zhì)量流量。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，例如實(shí)現(xiàn)大型發(fā)電機(jī)組的全程自啟停、對(duì)核電站氣、液二相流的規(guī)定，以及對(duì)電廠熱力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行更準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)等，都使得質(zhì)量流量測(cè)量技術(shù)日益重要:
容積流量Q和質(zhì)量流量M之間的關(guān)系是
M=Q (10-1)
或 M=A (10-2)
式中  ----被測(cè)流體的密度，kg／m3;
A----流體的流通截面(一般為管道的流通截面), m2;
 ----流通截面A處的平均流速，m／s.
質(zhì)量流量計(jì)分間接式〔推導(dǎo)式〕和直接式兩類(lèi)。根據(jù)式(10 -1)測(cè)量質(zhì)量流量的儀表，必須先測(cè)量積流量再乘被測(cè)流體的密度，通過(guò)密度計(jì)和乘法器實(shí)現(xiàn)，這種儀表稱(chēng)為間接式質(zhì)量流量計(jì)或推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)。日前, 密度計(jì)由于結(jié)構(gòu)和元件特性的限制，在高溫、高壓下尚不能運(yùn)用．只能采用固定的密度數(shù)值乘容積流量。眾所周知，介質(zhì)密度隨著壓力、溫度的變化而異,在變動(dòng)工況下采用固定的密度值將帶來(lái)較大的質(zhì)量流量測(cè)量誤差，故必須進(jìn)行參數(shù)補(bǔ)償，據(jù)此發(fā)展了溫度、壓力補(bǔ)償式流量計(jì)。檢測(cè)出被測(cè)流體的溫度、壓力，然后按一定的數(shù)學(xué)模型自動(dòng)換算出相應(yīng)的密度值, 得到密度值與容積流量值的乘積便可實(shí)現(xiàn)質(zhì)量流量測(cè)量，故稱(chēng)為溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)。溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計(jì)是當(dāng)前工業(yè)上普遍應(yīng)用的一種推導(dǎo)式質(zhì)量流量計(jì)的特殊形式。
直接檢測(cè)與質(zhì)量流量有關(guān)的量來(lái)反映質(zhì)量流量大小的流量計(jì)稱(chēng)為直接式質(zhì)量流量計(jì)。
研制直接式質(zhì)量流量計(jì), 目的在于使最后代表質(zhì)量流量的輸出信號(hào)與被測(cè)介質(zhì)的壓力、溫度等參數(shù)無(wú)關(guān)，以解決當(dāng)介質(zhì)參數(shù)變化范圍很大，其密度和溫度、壓力之間的關(guān)系不能看成線性,而采用溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償方式又很困難和繁瑣的問(wèn)題。這也是在溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償式質(zhì)量流星計(jì)已得到廣泛應(yīng)用的同時(shí), 還要開(kāi)展直接式質(zhì)量流量計(jì)研究的理由。
由于對(duì)直接式質(zhì)量流量計(jì)需求的迫切性近幾年才較強(qiáng)烈, 因此它正處于迅速開(kāi)發(fā)階段，雖已有多種類(lèi)型，但由于受原理、結(jié)構(gòu)、維修、壽命及價(jià)格等方面的限制，在以用工業(yè)中尚未廣泛應(yīng)用。本章重點(diǎn)講述間接式質(zhì)量流量計(jì), 直接式質(zhì)量流量計(jì)只作一般介紹。
第二節(jié) 直接式質(zhì)量流量計(jì)
直接式質(zhì)量流量汁，是由檢測(cè)元件直接反映質(zhì)量流量的儀表，目前巳利用不同原理開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型，如動(dòng)量及動(dòng)量矩式、慣性力式、科里奧利力式、差壓式、振動(dòng)式、熱式等。每一種型式又有多種結(jié)構(gòu)，例如差壓式有: 烏格努斯質(zhì)量流星計(jì)、振動(dòng)皮托管質(zhì)量流量計(jì)、粉體橋式質(zhì)量流星計(jì)，流體涌出形質(zhì)量流量計(jì)等．振動(dòng)式有：懸臂振動(dòng)及旋轉(zhuǎn)振動(dòng)型質(zhì)量流量計(jì)、表面進(jìn)行波型質(zhì)量流量計(jì)等. 型式繁多難以一一敘述�，F(xiàn)僅就常見(jiàn)的應(yīng)用較多的型式進(jìn)行簡(jiǎn)述，對(duì)有代表性的結(jié)構(gòu)作重點(diǎn)介紹。
目前常見(jiàn)的直接式質(zhì)量流量計(jì)有雙渦輪質(zhì)量流量計(jì)、動(dòng)量矩式質(zhì)量流量計(jì)、慣性力式質(zhì)景流量計(jì)、科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)以及熱式質(zhì)量流量計(jì)等。
雙渦輪質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)原理是，兩個(gè)由彈簧連接的渦輪,受流體本身的流動(dòng)能量沖擊而旋轉(zhuǎn)，因兩渦輪葉后螺旋傾角不同而造成力矩差，該力矩差由連接彈簧所平衡，并使兩渦輪間形成扭角，扭角的大小與質(zhì)量流量成比例，測(cè)量因扭角造成的信號(hào)時(shí)間差，可得質(zhì)量流量。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)元件利用內(nèi)能源工作, 不需外加能量，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但對(duì)彈性元件的性能要求較高 ，且需在設(shè)計(jì)上考慮消除流體受第一個(gè)渦輪擾動(dòng)后對(duì)第二個(gè)渦輪的影響，以及在流體擾動(dòng)影響下兩個(gè)渦輪之間可能發(fā)生的扭曲振動(dòng)。
動(dòng)量矩式和慣性力式質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)牛頓第二定律的原理制作的，從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，質(zhì)量是物體慣性的量度。物體受外力作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，其變化量的大小與質(zhì)量有關(guān). 測(cè)量運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)時(shí)間的變化率； 即可測(cè)得質(zhì)量流量，據(jù)此可以創(chuàng)造多種結(jié)構(gòu)的質(zhì)設(shè)流量計(jì). 動(dòng)量矩式質(zhì)量流量汁是用流體動(dòng)量矩的變化反映質(zhì)量流量的. 其典型結(jié)構(gòu)是在儀表殼內(nèi)存一個(gè)主動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)倫，分別裝在短軸上，電動(dòng)機(jī)以恒定角速度  驅(qū)動(dòng)主動(dòng)輪. 設(shè)流體的等效旋轉(zhuǎn)半徑為l  ，則流體的平均流速  。若流體的質(zhì)量為m，則動(dòng)量矩J＝m  =  。由于從動(dòng)輪被彈簧限制，不能旋轉(zhuǎn)，所以測(cè)出彈簧的制動(dòng)力短即可反映動(dòng)量矩。此動(dòng)量矩對(duì)時(shí)間的變化率  . 因  系定值, 故測(cè)量  即可反映質(zhì)量流量M＝  。而慣性方式質(zhì)量流量計(jì)一般是利用被則流體流經(jīng)以等速轉(zhuǎn)功的可動(dòng)測(cè)量管件時(shí)，得到一個(gè)附加加速度，從而可動(dòng)管件管壁受到流體給的與加速度反方向的慣性力，此慣性力與質(zhì)量流量成比例, 由測(cè)量慣性力或慣性力矩可測(cè)得質(zhì)量流量。與雙渦輪質(zhì)量流量計(jì)相比較，動(dòng)量矩和慣性力式質(zhì)量流量計(jì)都需要外能源才能工作。達(dá)一類(lèi)流量計(jì)目前發(fā)展較快和應(yīng)用較廣的是一種被稱(chēng)為科里奧利式質(zhì)量流量計(jì)，它是通過(guò)測(cè)量科里奧利力的變化來(lái)反映質(zhì)量流量大小的。所謂科里奧利力是指，處于勻角速度轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中的運(yùn)動(dòng)物體，對(duì)在轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中的觀察者看來(lái)，該物體除了要附加慣性離心力的作用外，還耍附加另外一種慣性力的作用才能利用牛頓第二定律來(lái)描述物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這種力就是科里奧利力，簡(jiǎn)稱(chēng)科氏力。例如以一個(gè)圓盤(pán)為轉(zhuǎn)功參照系，若圓盤(pán)繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng), 其角速度為  ，設(shè)一物體由旋轉(zhuǎn)中心沿圓盤(pán)半徑以速度  相對(duì)于圓盤(pán)作勻速直線運(yùn)動(dòng)，則該物體除了受慣性離心力外，還受到科里奧利力的作用，科氏力的大小決定于圓盤(pán)的角速度  和物體的徑向速度  . 設(shè)科氏力以fc表承，則其表達(dá)式為
 (10—3)
式中 m——運(yùn)動(dòng)物體的質(zhì)量；
 ——物體在轉(zhuǎn)動(dòng)參照系中的運(yùn)動(dòng)速度；
 ——轉(zhuǎn)動(dòng)參照系的角速度。
如上所述，科里奧利力的存在是以徑向速度  和轉(zhuǎn)動(dòng)角速度  同時(shí)存在為先決條件的，任一速度為零，都不會(huì)產(chǎn)生科里奧利力。
由式(10—3)可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度  一定時(shí)，科氏力f c正比于物體的質(zhì)量與速度之積m ，這正是利用科里奧利力測(cè)量質(zhì)量流量的最原始的理論依據(jù)。在流量測(cè)量中，使被則流體以某流速  流過(guò)以  角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的可動(dòng)管件，以達(dá)到  與  同時(shí)存在的條件, 此可動(dòng)管件稱(chēng)之謂流量測(cè)量管。測(cè)量管可以用旋轉(zhuǎn)方式或周期振動(dòng)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的  值。當(dāng)流體流過(guò)測(cè)量管時(shí), 相當(dāng)于流過(guò)角速度以一定周期變化方向的旋轉(zhuǎn)式測(cè)量管, 同樣會(huì)產(chǎn)生科氏效應(yīng)，而在結(jié)構(gòu)上相對(duì)比較簡(jiǎn)單。
為了求出科里奧利力與質(zhì)量流量的關(guān)系式, 以振動(dòng)式單U形管結(jié)構(gòu)為例，如圖10—1所示．測(cè)量管在電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)下以固有振動(dòng)頻率作周期性上下振功。當(dāng)流體流過(guò)振動(dòng)管時(shí)，流體被強(qiáng)制接受管子的垂直動(dòng)量。以管子向上運(yùn)功的振動(dòng)半周期為例，設(shè)其角速度為  ，則U形管流入側(cè)受到的科里奧刊火為
 (10—4)
式巾 m——測(cè)量管中流體的質(zhì)量，kg；
 ——被訓(xùn)流體沉迪，m／q
 ——測(cè)量管向上方運(yùn)動(dòng)的角速度, rad/s。
圖10—1所示 振動(dòng)式單u形流量測(cè)量管
質(zhì)量流量的定義為單位時(shí)間流過(guò)通流截面的流體質(zhì)量．即
M=  (10--5)
式中 m——在時(shí)間t內(nèi)流過(guò)測(cè)量管中流體的質(zhì)量，kg；
t——流體流過(guò)測(cè)量管的時(shí)間。
對(duì)勻迎流體:  (10—6)
式中 l——測(cè)量管長(zhǎng)度，m;
將式(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)
由于測(cè)量管的長(zhǎng)度l及其轉(zhuǎn)功的角速度  均為常數(shù)，故  為常數(shù)，設(shè)k＝  ，則
M=kfc (10—9)
式中 k----與測(cè)量管長(zhǎng)度l及角速度  有關(guān)的常數(shù)；
其余符號(hào)同前。
由式(10—9)可知，質(zhì)量流量M與科里奧利力f c成正比。當(dāng)測(cè)量管的結(jié)構(gòu)及其振動(dòng)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)確定后，k則為已知常量，測(cè)量科氏力f c即可求得質(zhì)量流量M，同理，若分析測(cè)量管向下運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)半周期或流出側(cè)管內(nèi)的流體時(shí)，也會(huì)得到同樣的結(jié)論。
采用不同的方法測(cè)量科氏力f c， 以及選擇不問(wèn)形式的測(cè)量管結(jié)構(gòu)和用不同的方式使測(cè)量管獲得需要的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度  , 可以制成多種類(lèi)型的科里奧利力質(zhì)量流量計(jì)。只要所有被測(cè)流體都流過(guò)測(cè)量管，流體的質(zhì)量流量就可直接測(cè)得，
對(duì)單U形振動(dòng)管, 也常利用測(cè)量U形管的形變量來(lái)反映科氏力fc的大小。因?yàn)榱黧w在U形管流入側(cè)及流出側(cè)的流動(dòng)方向相反，所以u形管的兩側(cè)管受到大小相問(wèn)、方問(wèn)相反的科氏力�？剖狭Φ淖饔迷斐蓽y(cè)量管變形。形變量的大小與科氏力成正比，即與質(zhì)量流量成正比。一般的儀表檢測(cè)方式是，通過(guò)位于流量測(cè)量管兩側(cè)的電磁感應(yīng)器測(cè)量在這兩點(diǎn)上管子振動(dòng)的速度，和由于管子的變形引起這兩個(gè)速度信號(hào)之間的時(shí)間差，然后把此信號(hào)送到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將信號(hào)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成直接與質(zhì)量流量成正比的電信號(hào)輸出。
若采用兩個(gè)U形振動(dòng)管作流量測(cè)量管，兩根管子的振動(dòng)及變形相位差180°，用它們合成的變形量來(lái)確定質(zhì)量流量，這樣可以提高儀表的靈敏度。
科里奧利力式質(zhì)量流量計(jì)除了上述采用U形管式結(jié)構(gòu)外，現(xiàn)有產(chǎn)品還有直管式質(zhì)量流量計(jì)、Li—Lee質(zhì)量流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)陀螺式質(zhì)量流量計(jì)、振動(dòng)陀螺式質(zhì)量流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)振功式及懸臂式質(zhì)量流量計(jì)等．
熱式質(zhì)量流量計(jì)也是目前發(fā)展較快的一種直接式質(zhì)量流量計(jì)，它的基本原理是，利用外熱源對(duì)被測(cè)流體加熱，測(cè)量因流體流動(dòng)造成的溫度場(chǎng)變化來(lái)反映質(zhì)顯流量。溫度場(chǎng)的變化用加熱器前后端的溫差來(lái)表示。被測(cè)流體的質(zhì)量流量M與加熱器前后端溫差  之間酌關(guān)系是
 (10--10)
式中 P——加熱器的功率；
J-----熱功當(dāng)量；
Cp------被測(cè)流體的定壓比熱；
 ——加熱器前后端的溫度差。
由上式可知, 若采用恒定功率法, 則溫差  質(zhì)量流量M成反比，測(cè)得溫差  即可求得M假若采用恒定溫差法，則加熱器輸入功率P與質(zhì)量流量成正比，測(cè)得加熱器輸入功率P則可求得M值。在使用上，恒定溫差法, 無(wú)論從特性關(guān)系或?qū)崿F(xiàn)測(cè)量的手段看都較恒定功率法簡(jiǎn)單，從功率表上讀出P值即可得到M值,因而應(yīng)用廣泛。
熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)熱源及測(cè)溫方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種。
1．接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì)
這種質(zhì)量流量計(jì)的加熱元件和測(cè)溫元件都置于被測(cè)流體的管道內(nèi)，與流體直接接觸，常被稱(chēng)為托馬斯流量計(jì)，適于測(cè)量氣體的較大質(zhì)量流量. 其結(jié)構(gòu)原理如圖10—2所示。由于加熱及測(cè)量元件與被測(cè)流體直接接觸，因此元件易受流體腐蝕和磨損，影響儀表的測(cè)量靈敏度和使用壽命。測(cè)量高流速、有腐蝕性的流體時(shí)不宜選用，這是接觸式的缺點(diǎn)。
2．非接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì)
這種流量計(jì)的加熱及測(cè)溫元件都置于流體管道外，與被測(cè)流體不直接接觸，克服了接觸式的缺點(diǎn)。熱式微流量行(是非接觸式質(zhì)量流量計(jì)的典型結(jié)構(gòu))如圖10—3所示。儀表的測(cè)量導(dǎo)管，為薄壁小口徑鎳管，鎳管外部?jī)蓚?cè)纏繞鉑電阻絲3、5作為測(cè)溫線圈，并作為沒(méi)量電橋的兩臂R1、R2。兩測(cè)溫線圈的中間纏繞著錳銅絲加熱線圈4，作為儀表的加熱器。當(dāng)流體靜止時(shí)，由于測(cè)溫線圈對(duì)稱(chēng)地安裝在加熱器兩側(cè)且阻值相等(各100  左右)，因此測(cè)量電橋處于平衡狀態(tài)。但當(dāng)流體在鎳管中流經(jīng)測(cè)溫電阻時(shí)，就破壞了加熱器的溫度場(chǎng)，兩測(cè)溫線圈處于不同的溫度場(chǎng)內(nèi)，因而引起電阻值發(fā)生變化。兩測(cè)溫線圈阻值不等，破壞了電橋的平衡。根據(jù)電橋平衡原理，由檢流計(jì)8測(cè)得電阻值的變化, 即可求得質(zhì)量流量M。
圖10--2 接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)原理
l、3—熱電偶；2一加熱器；4一功率表
圖10—3 非接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì)
1—測(cè)量導(dǎo)管; 2—等溫外殼; 3—測(cè)溫線圈; 4—加熱線圈
7—調(diào)零電阻; 8—檢流計(jì)
熱式微流量計(jì)適用于測(cè)量液體和氣體的微小質(zhì)量流量�？蓽y(cè)0--100cm3／h的微小液體流量和l0L／h左有的微小氣體流量。
為了使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有些產(chǎn)品取消了加熱器，只用兩只測(cè)量電阻，既作加熱元件又作為測(cè)溫元件。這種設(shè)計(jì)，由于熱慣性的原因，儀表反映速度比較小，靈敏度較低; 被測(cè)流體溫度變化影響儀表指示的準(zhǔn)確度。
為了提高非接觸熱式質(zhì)量流量計(jì)的流量測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)了一種邊界層質(zhì)量流量計(jì)，它利用測(cè)量流體靠近管壁的邊界層的熱傳導(dǎo)來(lái)反映流量的大�。眠@種方式測(cè)量流量，一般是利用控制管外壁的加熱器給出的熱量來(lái)保持邊界層內(nèi)外溫差恒定，然后根據(jù)熱員測(cè)量反映質(zhì)量流量。
熱式質(zhì)量流量計(jì)目前發(fā)展較快的有：熱線質(zhì)量流量計(jì)、邊界層質(zhì)量流量計(jì)、分流式熱毛細(xì)管質(zhì)量流量計(jì)以及用IC基板技術(shù)的熱式質(zhì)量流量計(jì)等。
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