质 量 流 量 计 培 训 为什么要测量质量流量为什么要测量质量流量? ?温度变化体积1 体积 2质量 1 = 质量 2质量 1体积 1质量2体积 2质量流量计的分类l1.科里奥利式质量流量计l 这种流量计是利用流体在振管内产生的科氏力，采用直接测量科氏力的方法得到流体质量流量。l2.量热式质量流量计（热式质量流量计） l 这种流量计是在流体管壁外设置热源，利用流动气体传递的热量与质量的关系，在其上下游产生温度变化而得到气体的质量流量。l3.冲量式质量流量计 l 这种流量计是利用物料流体在一定的高度下落的冲量产生的力，采用直接测力方法而得到流体质量流量。热式质量流量计 l热式质量流量计（以下简称TME）是利用传热原理，即流动中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表，过去我国习称量热式流量计，采用这种原理有两种实现方法：一是恒功率法，二是恒温差法。当前主要用于测量气体。 恒温差法原理流速传感器的温度高于感温传感器一定温度T。当气体流经流速传感器时，产生热量扩散，这样电路单元提供相应的能量使两个传感器温差维持恒定温度T ，电路单元提供的能量与电流成比例关系，通过输出电信号可测出流量。恒温差法原理参比RTD测量气体温度电子单元给加热探头持续提供能量通过电子单元调解，保持恒温差随着质量流量的增加，气体分子将热量扩散开来。恒温差法原理电子单元感应T的减少并且增加能量以维持恒温差T随着质量流量的减少，电子单元减少对加热探头的能量供应。对加热探头的总能量正比于质量流量，微处理器是输出信号线性。恒功率法原理传感器元件包括两个热电阻，其中一个是感温电阻，另一个为加热电阻（温度高于感温电阻），当无流量时，两个电阻的温差最大，当有流量时，加热电阻温度降低，两个电阻温差减少，由于两个RTD之间的温差与过程流速及过程介质有关，从而与流体的流量有关，因此，当有流量时，产生温差.恒功率法原理参比RTD测量流体温度电子单元使加热元件以恒功率加热，在没有流体时温度较高，有流体时温度较低恒功率法原理当质量流量增加，流体分子冷却加热单元非参比RTD测量温度降低电子单元转换为流量信号恒功率技术热式质量流量计缺点热式质量流量计响应慢。被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差。对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量。对于热分布式TMF，被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值，必须定期清洗；对细管型仪表更有易堵塞的缺点，一般情况下不能使用。对脉动流在使用上将受到限制。液体用TMF对于粘性液体在使用上亦受到限制。 热式质量流量计优点热分布式TMF可测量低流速（气体0.022m/s）微小流量；浸入式TMF可测量低中偏高流速(气体260m/s)，插入式TMF更适合于大管径。TMF无活动部件，无分流管的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小；带分流管的热分布式仪表和浸入性仪表，虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不大。TMF使用性能相对可靠。与推导式质量流量仪表相比，不需温度传感器，压力传感器和计算单元等，仅有流量传感器，组成简单，出现故障概率小。热分布式仪表用于H2 、N2 、O2、CO 、NO等接近理想气体的双原子气体，不必用这些气体专门标定，直接就用空气标定的仪表，实验证明差别仅2%左右；用于Ar、He等单原子气体则乘系数1.4即可；用于其他气体可用比热容换算，但偏差可能稍大些。气体的比热容会随着压力温度而变，但在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数。科里奥利力简介m=质点 w=角速度v=径向速度Fc =科里奥利力V = 0V 0Fc = -2m v wFcFc视频一视频二科里奥利力简介w= 角速度Fc = 科里奥利力= 相位差A,B=相位传感器y= 振幅t= 时间 Fc m驱动线圈驱动线圈驱动线圈驱动线圈热电阻热电阻热电阻热电阻 (RTD)(RTD)检测线圈检测线圈检测线圈检测线圈流量管流量管流量管流量管连接管线连接管线连接管线连接管线连接传感器和变送连接传感器和变送连接传感器和变送连接传感器和变送器，提供电源，信器，提供电源，信器，提供电源，信器，提供电源，信号通讯号通讯号通讯号通讯变送器对检测线圈传输变送器对检测线圈传输变送器对检测线圈传输变送器对检测线圈传输来的信号进行处理来的信号进行处理来的信号进行处理来的信号进行处理科里奥利质量流量计的工作原理 在双管型质量流量计当中，入口处在双管型质量流量计当中，入口处在双管型质量流量计当中，入口处在双管型质量流量计当中，入口处的分流管把流入的介质均等地一分为的分流管把流入的介质均等地一分为的分流管把流入的介质均等地一分为的分流管把流入的介质均等地一分为二，送到两根测量管中，这样保证了二，送到两根测量管中，这样保证了二，送到两根测量管中，这样保证了二，送到两根测量管中，这样保证了100%100%的介质流经测量管的介质流经测量管的介质流经测量管的介质流经测量管 两根测量管由于驱动线圈的作用，两根测量管由于驱动线圈的作用，两根测量管由于驱动线圈的作用，两根测量管由于驱动线圈的作用，产生以支点为轴的相对震动。当测量产生以支点为轴的相对震动。当测量产生以支点为轴的相对震动。当测量产生以支点为轴的相对震动。当测量管中有流量时，产生如图所示的科里管中有流量时，产生如图所示的科里管中有流量时，产生如图所示的科里管中有流量时，产生如图所示的科里奥利现象。奥利现象。奥利现象。奥利现象。科里奥利质量流量计的工作原理在每个流量管上，均有一组磁铁在每个流量管上，均有一组磁铁在每个流量管上，均有一组磁铁在每个流量管上，均有一组磁铁 / / 线线线线圈组，我们称之为入口检测线圈和出圈组，我们称之为入口检测线圈和出圈组，我们称之为入口检测线圈和出圈组，我们称之为入口检测线圈和出口检测线圈。由于相对振动，线圈在口检测线圈。由于相对振动，线圈在口检测线圈。由于相对振动，线圈在口检测线圈。由于相对振动，线圈在磁铁的磁场做切割磁力线的运动，在磁铁的磁场做切割磁力线的运动，在磁铁的磁场做切割磁力线的运动，在磁铁的磁场做切割磁力线的运动，在内部回路产生交流电信号。该信号能内部回路产生交流电信号。该信号能内部回路产生交流电信号。该信号能内部回路产生交流电信号。该信号能准确地反映线圈组间的相对位移和相准确地反映线圈组间的相对位移和相准确地反映线圈组间的相对位移和相准确地反映线圈组间的相对位移和相对速度。通过监测该交流信号，我们对速度。通过监测该交流信号，我们对速度。通过监测该交流信号，我们对速度。通过监测该交流信号，我们可判断测量管的运行状态。可判断测量管的运行状态。可判断测量管的运行状态。可判断测量管的运行状态。Theory - 3内部结构TimemV无流量无流量TimemV低流量低流量TimemV高流量高流量在没有流量的情况下，入口和出口处检测线圈监测到的交流电在没有流量的情况下，入口和出口处检测线圈监测到的交流电信号是同相位的。当有流量的时候，由于科里奥利作用，流量信号是同相位的。当有流量的时候，由于科里奥利作用，流量管产生扭曲，两端的检测线圈输出的交流电信号存在相位差。管产生扭曲，两端的检测线圈输出的交流电信号存在相位差。流量越大，相位差就越大，而且其相位差流量越大，相位差就越大，而且其相位差 T 与流量的大小成与流量的大小成正比关系。这样，可以利用正比关系。这样，可以利用 T 作为质量流量的标定系数，即作为质量流量的标定系数，即可以用可以用 T 来表示每秒有多少克的流量流过来表示每秒有多少克的流量流过Theory - 4质量流量检测原理密度测量原理mtfRmflfR= 谐振频率mt= 测量管mfl= 流体质量fl= 流体密度c= 常数fR = (fl)TimemVTimemV高密度高密度低密度低密度按照弹性模数的理论，弹簧所悬挂物体的质量和它振动的频率按照弹性模数的理论，弹簧所悬挂物体的质量和它振动的频率成反比。这一概念引入到流量管的振动，整体质量（测量管和成反比。这一概念引入到流量管的振动，整体质量（测量管和内部介质之和）越大，其振动频率就越小。通过检测已知密度内部介质之和）越大，其振动频率就越小。通过检测已知密度（例如标准状态下的水和空气）的介质流经测量管时的频率，（例如标准状态下的水和空气）的介质流经测量管时的频率，可以得到密度与频率之间的线性关系。然后通过振动频率换算可以得到密度与频率之间的线性关系。然后通过振动频率换算到密度到密度Theory - 5密度测量原理原理总结D =相位差m = 质量流量 = RTD 电阻fR =谐振频率 =密度T = 温度 mfR WTWS形测量管质量流量计如图所示，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。U形测量管质量流量计 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。 U形测量管质量流量计测量管扭曲的程度，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，以测量其运动的相位差，这一相位差直接正比于流过的质量流量。 在双U形测量管结构中，两根测量管的振动方向相反，使得测量管扭曲相位相差180度，如图所示。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。 J形管质量流量计 l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。 B形管质量流量计 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。 单直管形质量流量计 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，质点产生反作用力F1，使管子向上运动速度减慢；而在C点到B点之间，流体质点被减速，使管子向上的运动速度加快。结果在C点两边的这两个方向相反的力使管子产生一个变形，这个变形的相位差与测管中流体流过的质量流量成正比。 双直管形质量流量计 l相对单直管来说双直管形可减少压力损失，增大传感器感受信号，其实际中的结构如图所示，驱动器安放与中心位置，两个光电传感器只与中心两侧对称位置上，其中测量管受轴向力的影响很小。当流体不流动时，光电传感器受到的管子所产生的位移的相位是相同的；当流体介质流过两根振动的测量管时，便产生了科里奥利力，这个力使测量管的振点两边发生相反的位移，振点之前的测管中流体介质使管子振荡衰减，即管子位移速度减慢；振点之后的测管中流体介质使振荡加强，即管子位移速度加快。通过光电传感器，测得两端的相位差，这个相位差在振荡频率一定时正比与测管中的质量流量。 形测量管质量流量计 l当管子分开时，在振点前的流体中产生的科里奥利力与振动力方向相反，减慢管子的运动速度；而在振点之后管中流体产生的科氏力与振动方向相同，加快管子的运动速度。当驱动器使管子靠近时，则产生相反的结果。在A、B两点的传感器可测的两处管字运动的相位差，由此可得到流过测管中流体的质量流量。 双环形测量管质量流量计 当测管中流体不流动时，振动力使管子产生的变形，在中间点两边是一样的，传感器处的两测点上，测得的振动位移的相位差为零，当测管中流体流动时，在振幅最大点之前，流体质点由于受到科氏力的作用产生一个与振动方向相反的作用力，而在这点之后产生一个与振动方向相同的作用力，由于在同一时刻两根测量管所受到的作用力大小相等，方向相反，因此反映在两传感器处测点上管子的运动速度得到增大或减小，测量这两点的相位差就可得到通过测量管流体的质量流量。 质量流量计优点l直接测量质量流量，有很高的测量精确度。l可测量流体范围广泛，包括高粘度液的各种液体、含有固形物的浆液、含有微量气体的液体、有足够密度的中高压气体。l测量管的振动幅小，可视作非活动件，测量管路内无阻碍件和活动件。l对应对迎流流速分布不敏感，因而无上下游直管段要求。l测量值对流体粘度不敏感，流体密度变化对测量值得值的影响微小。l可做多参数测量，如同期测量密度，并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。质量流量计缺点l零点不稳定形成零点漂移，影响其精确度的进一步提高，使得许多型号仪表只得采用将总误差分为基本误差和零点不稳定度量两部分。l测量低密度介质和低压气体误差大；液体中含气量超过某一限制（按型号而异）会显着著影响测量值。l对外界振动干扰较为敏感，为防止管道振动影响，大部分型号的流量传感器安装固定要求较高。l不能用于较大管径，目前尚局限于300mm以下。l测量管内壁磨损腐蚀或沉积结垢会影响测量精确度，尤其对薄壁管测量管的更为显着。l部分产品压力损失较大，与容积式仪表相当，有些型号甚至比容积式仪表大100%。l大部分型号CMF重量和体积较大。l价格昂贵。国外价格5000 10000美元一套，约为同口径电磁流量计的2 5倍；国内价格约为电磁流量计的2 8倍。l绝大部分产品采用四线制，耗电功率大质量流量计安装的注意事项l1.由于质量流量计是靠流体流经管线时产生振动的科里奥利原理来达到测量目的，因此质量流量计的安装状态应该是无应力状态，流量计安装应与管线在同一轴线上，而且应在质量流量计传感器附近做支撑，绝不能用传感器来支撑管道，这样可以消除振动，减少误差。l2.选择的安装地点应远离大变压器或电机，因为传感器与变送器之间连接的电缆被诸如马达等发射的电磁场覆盖或靠近，就会造成干扰，使读数不准确而产生误差。还有，安装时要根据流体不同性质而选择不同的安装朝向，也就是要始终保持传感器管子里流体处于充满状态。质量流量计安装的注意事项 l3.夹带汽泡。用于液体流量测量时，当雾沫状气体含量超过15的体积含量时，质量流量计将停止工作。这些汽泡衰减了用以产生科氏力的流量管的振动，应将气体消除在传感器之前。如果难以实现，则尽量减少气体含量(尽可能提高传感器内的压力)，以保证汽泡被均匀地分散为较小的汽泡(保持较高的液体流速)。当液体的压力低于其蒸汽压时，将产生汽泡。由流量管的几何形状和液体流动所引起的传感器两端的压降能够将液体的有效压力降至其蒸汽压力之下，管道液体中的气体可对传感器产生与雾沫汽泡相同的影响。传感器尺寸一旦确定，即可计算出维持液体状态所需的背压。要将传感器安装在能够满足所需背压的场所。质量流量计安装的注意事项 l4.沉淀物与悬浮物。质量流量计可以计算出两种成分的溶液或浆料中一种成分的质量含量。准确的密度测量必须避免的情况是：沉淀物附着在测量管壁上或固体颗粒从悬浮液中沉淀出来(流速太低)。l5.振动。双管设计的推出大大减小但并没完全消除共模振动对质量流量计的影响，由管线系统引入的外部振动能够引起传感器不期望的振动方式。如果外部振动频率等于或接近传感器驱动系统的频率，则会干扰仪表的驱动控制系统，引起流量管振动不稳定或停振。质量流量计安装的注意事项l6.危险场所的安装。如需将仪表安装在易爆场所，首先要注意仪表是否是本质安全型仪表，而且要根据现场防爆等级要求及仪表随即证明文件，确定是否允许安装。在安装的过程用还应考虑，环境温度对传感器、变送器、电缆等相关元件的影响。室外安装时考虑防水，分体式质量流量计考虑专用电缆的长度（具体参照相应产品说明书）。l7.流场分步从优原则，从原理上讲，科氏力质量流量计不受流场分布的影响，无需前后直管段。而在实际现场应用，并不是所有类型的流量计都不受流场分布的影响。尽管科氏力质量流量计对流场分布的要求确实不高，但对双振动管型科氏力质量流量计来说，在流场变化过于剧烈时，有可能造成测量不准确。质量流量计安装的注意事项l8.其它注意事项。l除以上几点要着重考虑之外，当选择安装场所时，还应遵循以下原则：当用科氏力式质量流量计测量液体介质，特别是易汽化的液体或含有少量气体的液体介质时，应把流量传感器安装在管道的较低处，而不要将传感器安装在管道的最高处，以防止夹杂的气体在测量管中聚集而导致测量误差；当用科氏力式质量流量计侧脸气体介质，特别是非干燥气体或在高压下易液化的气体介质时，应把流量传感器安装在管道的较高处，而不要将传感器安装在管道的最低处，以免液体在测量管中聚集而影像测量的准确度。l此外，有条件的话，还应考虑流量计安装，日常维护及拆卸的方便。譬如，要将流量计安装在蒸汽吹扫管线的下游，而且注意不要将传感器装的太高，也不要装在周围管线多而复杂的地方。这些做法，都会为流量计的安装和日常维护提供方便。传感器安装方式的选择l传感器的安装一般分为垂直安装与水平安装两种方式。传感器的安装方式应依据被测流体的类型及传感器自身结构及选择。l1.垂直安装l垂直安装是指在垂直管线上安装传感器，这种安装方式也被称为“旗式安装”。对直管型流量计和装卸计量的应用场合，垂直安装是一种得到推荐较多的安装形式。在一定条件下，也可用于弯管型流量传感器的安装。传感器安装方式的选择l1.1直管型传感器l当传感器的测量管为直管型时，无论测量什么介质，垂直安装方式都可以被采用。而当测量液体浆料时，这个安装方式最好，因为它可以避免固体微粒在传感器内积聚，面气体和油性物质又可以上升浮出测量管。如果工艺管线需用气体或蒸汽清扫，这样安装还可以便于清扫。在采用这种安装方式测量液体介质时，最理想的安装部位应选择在上升垂直管道的最下段部位，这样有利于获得静压，保持零点的稳定性。l为了防止梯流（喷流），应利用泵将工艺过程中的液体自下而上输送通过传感器。出于同样的考虑，当测量介质为气体时，应将介质自上而下输送通过传感器。在液态介质需要流动方向向下的场合时，如果传感器后面直接地连接着畅通的出口，在比传感器低的横截面上装一节流孔可以防止传感器空运转。l在装卸料计量应用时，与其他安装方式相比，“旗式”安装方式也是比较好的。在这种应用中，若在传感器下游安装一个止回阀，还可防止液体倒流回传感器中，从而可以防止在装、卸料期间被两次测量。止回阀装的离传感器越近越好。传感器安装方式的选择l1.2弯管型传感器l当穿管器的测量管是弯管型时，情况相对复杂些，一般可大致分为两种类型。其一，测量管是“U”型的，可参照直管型处理；其二，测量管“”型或三角型等其他弯曲形式的，出S形测量管外，在测量非干燥气体、含有少量气体的液体以及含有固体颗粒的浆液时都不推荐采用“旗式”安装。因为当测量含有固体颗粒的浆液时，若采用“旗式”安装，固体颗粒容易沉积在穿管器测量管的下部。而当测量含有少量气体的液体介质时，采用“旗式”安装方式，气泡可能会聚积在穿管器测量管的顶部。当测量非干燥气体介质时，这种安装方式，有可能造成在测量管下段积液。l对测量管为S形的穿管器，由于测量管管形方面的原因，在上述介质条件下，采用“旗式”安装方式要优于“水平”安装方式。l“旗式”安装的缺点是难以固定，特别是对弯管型穿管器，流量大时不容易带动管线振动；另一个缺点是压损及管输能耗较大，在测量有析出气体趋向的介质时须注意保证系统压力。传感器安装方式的选择l2.水平安装l水平安装是指在水平管线上安装穿管器。在一般情况下，直管型和弯曲管型流量传感器都可采用水平安装方式。l弯曲管型流量传感器，在水平安装时，传感器箱体一般是处于垂直位置，最好不要将传感器箱体呈倾斜状或水平状安装在管线上，因为这样做，重力对测量管的工作状态会产生一定的影响。l对传感器与变送器组合在一起的流量计，如果测量的是高温介质，建议将变送器等电子部分方向朝下，以确保变送器最高的环境温度不超出它所能承受的范围。l对弯曲管型流量传感器，应根据被测介质的类型选择其水平安装的方式。l介质为洁净的液体l在这种介质条件下，不用担心有固体颗粒会沉积在测量管中，因此，无论何种形状的弯曲管型，都可采取传感器箱体向下的水平安装方式，俗称“T”型安装。传感器安装方式的选择l介质为夹杂少量气体的液体l在测量含少量气体的液体介质时，为防止气泡聚集在测量管中，一般都采用传感器箱体向下的水平安装方式。在这种介质条件下，为准确测量，可在流量计上游端加装消气器。l介质为气体l在测量气体介质时，推荐采用传感器箱体向上的水平安装方式，这种方式可以防止管道中的液体积在测量管内。而且当被测介质是非干燥气体时，这种安装方式也可防止在测量管下段积液。l介质为含有固体颗粒的浆液l在这种介质条件下，推荐采用传感器箱体向上的水平安装方式。采用这种方式，可以防止固体颗粒沉积在测量管内。