超声波流量计原理

*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、在实际销售中，由于要对产品进行质量控制、对销售过程中各种物料混合比率进行测定、成本核算以及对销售过程进行自动调节等，也必须了解质量流量。随着工业销售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

                M=Q                （10-1）

或              M=A               （10-2）

式中 ----被测流体的密度，kg／m³;

     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，m／s.

 质量流量计分间接式〔推导式〕和直接式两类。根据式（10 -1）测量质量流量的仪表，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。*，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，然后按一定的数学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zui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*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J＝m = 。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f_c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zui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，m／q

——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

     f_c= 2 （10—7

由式（10—7）得

    M＝ _c                      （10—8）

由于测量管的长度l及其转功的角速度 均为常数，故 为常数，设k＝ ，则

                    M=kf_c                         （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，若分析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。

采用不同的方法测量科氏力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f_c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——加热器的功率；

    J-----热功当量；

    C_p------被测流体的定压比热；

   ——加热器前后端的温度差。

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--100cm³／h的微小液体流量和l0L／h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：质量流量计、边界层质量流量计、分流式热毛细管质量流量计以及用IC基板技术的热式质量流量计等。