质量流量计工作原理88582

今天我们就来介绍质量流量计工作原理。

质量流量计工作原理：质量流量计是采用感热式测量，通过分体份子带走的份子质量多少从而来测量流量，因为是用感热式测量，所以不会因为气体温度、压力的变化从而影响到测量的结果。

质量流量计是一个较为准确、快速、可靠、高效、稳定、灵便的流量测量仪表，在石油加工、化工等领域将得到更加广泛的应用，相信将在推动流量测量上显示出巨大的潜力。

质量流量计是不能控制流量的，它只能检测液体或者气体的质量流量，通过摹拟电压、电流或者串行通讯输出流量值。

但是，质量流量控制器，是可以检测同时又可以进行控制的仪表。

质量流量控制器本身除了测量部份，还带有一个电磁调节阀或者压电阀，这样质量流量控制本身构成一个闭环系统，用于控制流体的质量流量。

质量流量控制器的设定值可以通过摹拟电压、摹拟电流，或者计算机、 PLC 提供。

质量流量计的工作原理和典型结构
科氏力式质量流量计普通由传感器和信号处理系成，而流量传感器又是一种基于科里奥利力效应的谐振式传感器。

这种传感器的敏感元件——振动管，是处于谐振状态的空心金属管，又称测量管。

科氏力式质量流量传感器的测量管有各种不同的结构形式，按照传感器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。

单管型结构简单，不存在分流问题，管路清洗方便。

普通地说，它对外来振动比较敏感。

双管型结构容易实现相位差的测量，可以较好地克服外来振动的影响，并对提高振动系统的 Q 值有利。

目前大多数产品均采用这种结构。

但这种结构同时带来的问题是两测量管中流过的流量不可能做到绝对相等，其中的沉积物和磨蚀也不可能绝对一致，从而引起附加误差。

而且在两相流工作状态下，难以作到两测量管中流体分布的均匀一致，以致影响振动系统的稳定性。

随着单管型结构中测量管系统的振动
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不平衡问题的解决，单管型结构仍具有一定的发展前景。

连续管型是一种特殊形式的单管．它以环绕两圈的单管结构试图集单、双管型的优点于-身。

根据测量管的形状，又可分为直管型和弯管型两大类。

直管型普通外形尺寸小且不易于积累气体，但由于其振动系统刚度大，谐振频率高，相位差为微秒级，电信号的处理就比较艰难。

为了不使谐振频率过高，管壁必须较薄，以致其耐磨及抗腐蚀性能较差。

弯管型的振动系统刚度较低，谐振频率也较低，相位差为毫秒级，电信号较易处理，同时可选用较厚的管壁，因此，其耐磨及抗腐蚀性能较好。

但弯管型由于管形复杂，容易积累残渣及气体，引起附加误差，其结构尺寸也比较大。

目前，大多数科氏力式质量流量计均采用弯管型结构。

图 2-5 列举了科氏力式质量流量传感器测量管的部份管图型。

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一、直管型质量流量计、
直管型质量流量计的测量管是直管。

如前所述，其特点是整个传感器结构紧凑、体积小、分量
轻，便于安装，气体易于排出测量管，同时亦便于较黏液体的排空。

直管的振动频率较高，普通在 600~ 1200Hz，约为普通工业频率的 10 多倍，于是其抗振性能较好。

下面首先以双直管型质量流量计为例，简
述其结构和测量原理。

图 2-6 为双直管型质量流量传感器的一种典型结构的示意图。

双直管型质量流量传感器主要由测
量管、电磁驱动器、信检测器、电源板和放大器板、支承管以及壳体等几部份组成。

号检测器可以采用光电式和电磁式两种检测方式中的一种。

在这种结构中，两根测量管平行地焊接在两侧的联管器上，并通过法兰体可靠地固定在支承管上。

测量管的材质为钛合金或者锆合金，于是具有较高的强度、弹性以及较好的耐腐蚀、耐高性能。

支承管外包裹着一层厚厚的发泡材料。

支承管内被抽成真空，以防潮湿气体在
测量管外结霜，引起测量误差，同时起到隔热作用，使测量管的温度与工艺管道内介质的温度保持一致，并能防止测量管内介质的热量扩散到电路部份，影响其工作性能。

此外，测量管上还安装有 RTD 温度传
感器，检测测量管的温度，用来对质量流量和密度测量中由测量管材质的弹性模量随温度变化引起的温
度结构误差进行补偿，以提高测量准确度。

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双直管型质量流量计的测量原理如图 2-7 所示。

两根平行直管，两端固定，在其中部O (0’)点处，装有电磁驱动器，用来激励测量管振动，在测量管进、出口两侧对称位置 z1(x1，)、X2 (X2’)处，装有信号检测器，用来检测两测量管相对振动的位移。

信号检测器、信号放大处理电路及电磁驱动器构成一套正反馈自激振荡系统。

电磁驱动器的激励，可以克服系统的阻尼，维持系统在谐振频率下的振动。

因为系统的阻尼普通都很小，这一自激振荡的谐振频率与系统的固有频率很接近，维持振动所需要的能量也不大。

如图 2- 7 所示，在驱动器激励下，两根直管在所在平面内作相对振动，相位相差 180。

， Pl P2 和P1'P2’分别是两测量管的振动中心位置。

在振动过程中的每一瞬时，都可将直管的振动视为一回转系统。

例如，当测量管 I 离开中心位置向 Pi AP2 方向运动时，测量管左半部管子可近似看成逆时针转动，
而右半部管子则可看成顺时针转动。

测量管Ⅱ由于与测量管 T 相位相差 180。

，在同一瞬时，转动的方向也与测量管 T 相反。

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当测量管中无流体流动时，测量管处于上述单一振型的振动状态。

我们称这一振动状态为主振动。

在这种振动状态下，测量管进、出口侧在返回中心位置的运动中，通过检测点的时间是相同的。

而当流体以速度 y 沿两测量管流动时，测量管的振动状态将被流体的质量流量所调制。

如图 2—8a 所示，为分析简单起见，图中只画出了一根测量管的运动和受力状况。

设在某瞬时，测量管在位置 PlBP2，并向上运动。

如上所述，这时，摆布两半部管子可分别近似看成是逆时针转动和顺时针转动，设瞬时转动角速度为 n。

显然，角速度 n 也是交变的，其交变频率与主振动频率相同。

质量流量计根据上一节中所阐明的里奥利力效应可知，当振动管中有流体流动，在该瞬时，于测量管进口侧的任一点 M 处，流体质点的科氏加速度 a1 勺方向是垂直于测量管向上。

此时，测量管所受到的流体科氏力 fc 即是垂直于测量管向下，与管子进口侧的转动方向相反，使振动减弱。

而在测量管的出口侧，与 M 点对称的位置M 7 处，测量管所受到的流体科氏力 F：则垂直于测量管向上，与管子出口侧的转动方向相同，使振动增强。

即在这一时刻，测量管受到来自左、右两半部管子的大小相等、方向相反的科氏力。

当测量管向中心位置返回时，如图 2—8b 所示，测量管左、右半部的瞬时角速度将变换方向。

于是，在进、出口侧-测量管.....所受流体科氏力也都变换了方向。

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这样，当流体在处于振动状态的测量管中流动时，左半部和右半部的管道将分别受到来自流体的大小相等、方向相反的科氏力，从而构成使测量管扭曲的力矩。

该力矩是交变的，其交变频率与测量管主振动的频率相同。

于是，测量管将在原振型的基础上，叠加同频率的扭曲振动，扭曲振动的幅度，取决于流体的质量流量。

在这种同一频率的主振动和扭曲振动的复合振动状态下，测量管进、出口侧通过振动中心检测点 XI (X'I)和 X2(X'2)的时间便产生了时间差 At，可以证明，时间差 At 与流体的质量流量 qm 成
正比，这样，就可以通过测量两检测信号的时间差，直接测量流体的质量流量。

图 2 -9 是一种(弹性平衡摆与测量管振动)互补式单直管型质量流量传感器的结构示意图。

为了达到良好的振动隔离效果，在测量管中部连接有一个弹性平衡摆，应用动量守恒定律和而可有效地消除单直管系统振动的不平衡问
题。

这种传感器可设计成双层壳体结构，内、外两层壳体均具有一定的耐压性。

在内层壳体中抽以真空，而在内、外层壳体中间则充以氮气，除防止潮湿气体在测量管外壁结霜外，还可减小测量管振动的阻尼。

此外，由于这种结构可以作成不缩径的直通式测量管，于是具有流通能力大、压损小、清洗更方便等特
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点。

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