E+H質(zhì)量流量計(jì)是采用感熱式測(cè)量，通過分體分子帶走的分子質(zhì)量多少?gòu)亩鴣頊y(cè)量流量，因?yàn)槭怯酶袩崾綔y(cè)量，所以不會(huì)因?yàn)闅怏w溫度、壓力的變化從而影響到測(cè)量的結(jié)果。E+H質(zhì)量流量計(jì)是一個(gè)較為準(zhǔn)確、快速、可靠、、穩(wěn)定、靈活的流量測(cè)量?jī)x表，在石油加工、化工等領(lǐng)域?qū)⒌玫礁訌V泛的應(yīng)用，相信將在推動(dòng)流量測(cè)量上顯示出巨大的潛力。E+H質(zhì)量流量計(jì)是不能控制流量的，它只能檢測(cè)液體或者氣體的質(zhì)量流量，通過模擬電壓、電流或者串行通訊輸出流量值。但是，質(zhì)量流量控制器，是可以檢測(cè)同時(shí)又可以進(jìn)行控制的儀表。E+H質(zhì)量流量計(jì)本身除了測(cè)量部分，還帶有一個(gè)電磁調(diào)節(jié)閥或者壓電閥，這樣E+H質(zhì)量流量計(jì)本身構(gòu)成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，用于控制流體的質(zhì)量流量。E+H質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)定值可以通過模擬電壓、模擬電流，或者計(jì)算機(jī)、PLC提供。
目前廣泛應(yīng)用的流量計(jì)，無論是差壓式、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E+H質(zhì)量流量計(jì)來測(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.E+H質(zhì)量流量計(jì)分間接式〔推導(dǎo)式〕和直接式兩類。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，通過密度計(jì)和乘法器實(shí)現(xiàn)，這種儀表稱為間接式E+H質(zhì)量流量計(jì)或推導(dǎo)式E+H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。*，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，故稱為溫度、壓力補(bǔ)償式E+H質(zhì)量流量計(jì)。溫度、壓力補(bǔ)償式E+H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E+H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)的量來反映質(zhì)量流量大小的流量計(jì)稱為直接式E+H質(zhì)量流量計(jì)。研制直接式E+H質(zhì)量流量計(jì), 目的在于使zui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), 還要開展直接式E+H質(zhì)量流量計(jì)研究的理由。由于對(duì)直接式E+H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發(fā)階段，雖已有多種類型，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E+H質(zhì)量流量計(jì), 直接式E+H質(zhì)量流量計(jì)只作一般介紹。第二節(jié) 直接式E+H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發(fā)出多種類型，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E+H質(zhì)量流量計(jì)、粉體橋式質(zhì)量流星計(jì)，流體涌出形E+H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E+H質(zhì)量流量計(jì)、表面進(jìn)行波型E+H質(zhì)量流量計(jì)等. 型式繁多難以一一敘述。現(xiàn)僅就常見的應(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。目前常見的直接式E+H質(zhì)量流量計(jì)有雙渦輪E+H質(zhì)量流量計(jì)、動(dòng)量矩式E+H質(zhì)量流量計(jì)、慣性力式質(zhì)景流量計(jì)、科里奧利式E+H質(zhì)量流量計(jì)以及熱式E+H質(zhì)量流量計(jì)等。雙渦輪E+H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*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E+H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)角度來說，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E+H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E+H質(zhì)量流量計(jì)相比較，動(dòng)量矩和慣性力式E+H質(zhì)量流量計(jì)都需要外能源才能工作。達(dá)一類流量計(jì)目前發(fā)展較快和應(yīng)用較廣的是一種被稱為科里奧利式E+H質(zhì)量流量計(jì)，它是通過測(cè)量科里奧利力的變化來反映質(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，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)稱科氏力。例如以一個(gè)圓盤為轉(zhuǎn)功參照系，若圓盤繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng), 其角速度為  ，設(shè)一物體由旋轉(zhuǎn)中心沿圓盤半徑以速度  相對(duì)于圓盤作勻速直線運(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zui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)方式來實(shí)現(xiàn)所需的  值。當(dāng)流體流過測(cè)量管時(shí), 相當(dāng)于流過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)流過測(cè)量管中流體的質(zhì)量，kg； t——流體流過測(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  , 可以制成多種類型的科里奧利力E+H質(zhì)量流量計(jì)。只要所有被測(cè)流體都流過測(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(píng)形管的兩側(cè)管受到大小相問、方問相反的科氏力?？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確定質(zhì)量流量，這樣可以提高儀表的靈敏度?？评飱W利力式E+H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E+H質(zhì)量流量計(jì)、Li—LeeE+H質(zhì)量流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)陀螺式E+H質(zhì)量流量計(jì)、振動(dòng)陀螺式E+H質(zhì)量流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)振功式及懸臂式E+H質(zhì)量流量計(jì)等．熱式E+H質(zhì)量流量計(jì)也是目前發(fā)展較快的一種直接式E+H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E+H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E+H質(zhì)量流量計(jì)這種E+H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E+H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E+H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，并作為沒量電橋的兩臂R1、R2。兩測(cè)溫線圈的中間纏繞著錳銅絲加圈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E+H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E+H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E+H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E+H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E+H質(zhì)量流量計(jì)目前發(fā)展較快的有：E+H質(zhì)量流量計(jì)、邊界層E+H質(zhì)量流量計(jì)、分流式熱毛細(xì)管E+H質(zhì)量流量計(jì)以及用IC基板技術(shù)的熱式E+H質(zhì)量流量計(jì)等。 科氏力E+H質(zhì)量流量計(jì)的工作原理和典型結(jié)構(gòu)特性。
一、 工作原理
如圖一所示，截取一根支管，流體在其內(nèi)以速度V從A流向B，將此管置于以角速度ω旋轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中。設(shè)旋轉(zhuǎn)軸為X，與管的交點(diǎn)為O，由于管內(nèi)流體質(zhì)點(diǎn)在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運(yùn)動(dòng)，此時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)受到一個(gè)切向科氏力Fc。這個(gè)力作用在測(cè)量管上，在O點(diǎn)兩邊方向相反，大小相同，為：
δFc ＝ 2ωVδm 
因此，直接或間接測(cè)量在旋轉(zhuǎn)管道中流動(dòng)的流體所產(chǎn)生的科氏力就可以測(cè)得質(zhì)量流量。這就是科里奧利E+H質(zhì)量流量計(jì)的基本原理。