容積式流量計的測量原理與應(yīng)用

材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。試驗鋼鐵硬度的最普通方法是用銼刀在工件邊緣上銼擦,由其表面所呈現(xiàn)的擦痕深淺以判定其硬度的高低。這種方法稱為銼試法這種方法不太科學(xué)。用硬度試驗機(jī)來試驗比較準(zhǔn)確,是現(xiàn)代試驗硬度常用的方法。常用的硬度測定方法有布氏硬度、洛氏硬度和維氏硬度等測試方法

　　硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標(biāo)，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)。硬度試驗根據(jù)其測試方法的不同可分為靜壓法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）、劃痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度）及顯微硬度、高溫硬度等多種方法。

    布氏硬度以HB[N(kgf/mm2)]表示（HBS\HBW）（參照GB/T231－1984），生產(chǎn)中常用布氏硬度法測定經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)得剛健，以及鑄鐵、有色金屬、低合金結(jié)構(gòu)鋼等毛胚或半成品的硬度。

    洛氏硬度可分為HRA、HRB、HRC、HRD四種，它們的測量范圍和應(yīng)用范圍也不同。一般生產(chǎn)中HRC用得最多。壓痕較小，可測較薄得材料和硬得材料和成品件得硬度。

維氏硬度以HV表示（參照GB/T4340-1999），測量極薄試樣。

1、鋼材的硬度 ：金屬硬度(Hardness)的代號為H。按硬度試驗方法的不同，

常規(guī)表示有布氏（HB）、洛氏（HRC）、維氏（HV）、里氏（HL）硬度等，其中以HB及HRC較為常用。  

HB應(yīng)用范圍較廣，HRC適用于表面高硬度材料，如熱處理硬度等。兩者區(qū)別在于硬度計之測頭不同，布氏硬度計之測頭為鋼球，而洛氏硬度計之測頭為金剛石。  

HV-適用于顯微鏡分析。維氏硬度(HV) 以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136°的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值，即為維氏硬度值(HV)。  

HL手提式硬度計，測量方便，利用沖擊球頭沖擊硬度表面后，產(chǎn)生彈跳；利用沖頭在距試樣表面1mm處的回彈速度與沖擊速度的比值計算硬度，公式：里氏硬度HL=1000×VB（回彈速度）/ VA（沖擊速度）。

便攜式里氏硬度計用里氏（HL）測量后可以轉(zhuǎn)化為：布氏（HB）、洛氏（HRC）、維氏（HV）、肖氏（HS）硬度?；蛴美锸显碇苯佑貌际希℉B）、洛氏（HRC）、維氏（HV）、里氏（HL）、肖氏（HS）測量硬度值。

2、HB - 布氏硬度；

布氏硬度(HB)一般用于材料較軟的時候，如有色金屬、熱處理之前或退火后的鋼鐵。洛氏硬度(HRC)一般用于硬度較高的材料，如熱處理后的硬度等等。

布式硬度(HB)是以一定大小的試驗載荷，將一定直徑的淬硬鋼球或硬質(zhì)合金球壓入被測金屬表面，保持規(guī)定時間，然后卸荷，測量被測表面壓痕直徑。布式硬度值是載荷除以壓痕球形表面積所得的商。一般為：以一定的載荷(一般3000kg)把一定大小(直徑一般為10mm)的淬硬鋼球壓入材料表面，保持一段時間，去載后，負(fù)荷與其壓痕面積之比值，即為布氏硬度值(HB)，單位為公斤力/mm2 (N/mm2)。  

3、洛式硬度是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標(biāo)。以0.002毫米作為一個硬度單位。當(dāng)HB>450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120°的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗材料硬度的不同，分三種不同的標(biāo)度來表示：  

HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。  

HRB：是采用100kg載荷和直徑1.58mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。  

HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。

另外：

1.HRC含意是洛式硬度C標(biāo)尺，

2.HRC和HB在生產(chǎn)中的應(yīng)用都很廣泛

3.HRC適用范圍HRC 20－－67，相當(dāng)于HB225－－650

若硬度高于此范圍則用洛式硬度A標(biāo)尺HRA。

若硬度低于此范圍則用洛式硬度B標(biāo)尺HRB。

布式硬度上限值HB650,不能高于此值。

4.洛氏硬度計C標(biāo)尺之壓頭為頂角120度的金剛石圓錐，試驗載荷為一確定值，中國標(biāo)準(zhǔn)是150公斤力。

布氏硬度計之壓頭為淬硬鋼球（HBS)或硬質(zhì)合金球（HBW），試驗載荷隨球直徑不同而不同，從3000到31.25公斤力。

5.洛式硬度壓痕很小，測量值有局部性，須測數(shù)點求平均值，適用成品和薄片，歸于無損檢測一類。

布式硬度壓痕較大，測量值準(zhǔn)，不適用成品和薄片，一般不歸于無損檢測一類。

6.洛式硬度的硬度值是一無名數(shù)，沒有單位。（因此習(xí)慣稱洛式硬度為多少度是不正確的。）

布式硬度的硬度值有單位，且和抗拉強(qiáng)度有一定的近似關(guān)系。

7.洛式硬度直接在表盤上顯示、也可以數(shù)字顯示，操作方便，快捷直觀，適用于大量生產(chǎn)中。

布式硬度需要用顯微鏡測量壓痕直徑，然后查表或計算，操作較繁瑣。

8.在一定條件下，HB與HRC可以查表互換。其心算公式可大概記為：1HRC≈1/10HB。

硬度試驗是機(jī)械性能試驗中最簡單易行的一種試驗方法。為了能用硬度試驗代替某些機(jī)械性能試驗，生產(chǎn)上需要一個比較準(zhǔn)確的硬度和強(qiáng)度的換算關(guān)系。

實踐證明，金屬材料的各種硬度值之間，硬度值與強(qiáng)度值之間具有近似的相應(yīng)關(guān)系。因為硬度值是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強(qiáng)度越高，塑性變形抗力越高，硬度值也就越高。
另外,天然水中的鈣美含量也用硬度表示.我國規(guī)定的硬度是:1L水中含的鈣鹽,鎂鹽折合成CaO和MgO的總量相當(dāng)于10mgCaO(將MgO也換算成CaO)時,其硬度是1°.
水的硬度是水質(zhì)的重要指標(biāo),通常分為五類:
很軟水        軟水         中硬水         硬水              很硬水
0°～4°   　4°～8°    8°～16°　  16°～30°　　　  >30°

第一節(jié)  概   述

    目前廣泛應(yīng)用的流量計，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)被測流體的溫度、壓力坐化時，應(yīng)把所測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。但事實上當(dāng)溫度、壓力頻繁變動時，進(jìn)行及時的換算是很困難的，有時是不可能的。  因此，希望用質(zhì)量流量計來測量質(zhì)量流量。另外、在實際生產(chǎn)中，由于要對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制、對生產(chǎn)過程中各種物料混合比率進(jìn)行測定、成本核算以及對生產(chǎn)過程進(jìn)行自動調(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)展和自動化水平的提高，例如實現(xiàn)大型發(fā)電機(jī)組的全程自啟停、對核電站氣、液二相流的規(guī)定，以及對電廠熱力經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行更準(zhǔn)確的評價等，都使得質(zhì)量流量測量技術(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)量流量計分間接式〔推導(dǎo)式〕和直接式兩類。根據(jù)式(10 -1)測量質(zhì)量流量的儀表，必須先測量積流量再乘被測流體的密度，通過密度計和乘法器實現(xiàn)，這種儀表稱為間接式質(zhì)量流量計或推導(dǎo)式質(zhì)量流量計。日前, 密度計由于結(jié)構(gòu)和元件特性的限制，在高溫、高壓下尚不能運用．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,在變動工況下采用固定的密度值將帶來較大的質(zhì)量流量測量誤差，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。檢測出被測流體的溫度、壓力，然后按一定的數(shù)學(xué)模型自動換算出相應(yīng)的密度值, 得到密度值與容積流量值的乘積便可實現(xiàn)質(zhì)量流量測量，故稱為溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計。溫度、壓力補(bǔ)償式質(zhì)量流量計是當(dāng)前工業(yè)上普遍應(yīng)用的一種推導(dǎo)式質(zhì)量流量計的特殊形式。

 直接檢測與質(zhì)量流量有關(guān)的量來反映質(zhì)量流量大小的流量計稱為直接式質(zhì)量流量計。

 研制直接式質(zhì)量流量計, 目的在于使最后代表質(zhì)量流量的輸出信號與被測介質(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、壓力自動補(bǔ)償式質(zhì)量流星計已得到廣泛應(yīng)用的同時, 還要開展直接式質(zhì)量流量計研究的理由。

 由于對直接式質(zhì)量流量計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。本章重點講述間接式質(zhì)量流量計, 直接式質(zhì)量流量計只作一般介紹。

第二節(jié) 直接式質(zhì)量流量計

 直接式質(zhì)量流量汁，是由檢測元件直接反映質(zhì)量流量的儀表，目前巳利用不同原理開發(fā)出多種類型，如動量及動量矩式、慣性力式、科里奧利力式、差壓式、振動式、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、振動皮托管質(zhì)量流量計、粉體橋式質(zhì)量流星計，流體涌出形質(zhì)量流量計等．振動式有：懸臂振動及旋轉(zhuǎn)振動型質(zhì)量流量計、表面進(jìn)行波型質(zhì)量流量計等. 型式繁多難以一一敘述?，F(xiàn)僅就常見的應(yīng)用較多的型式進(jìn)行簡述，對有代表性的結(jié)構(gòu)作重點介紹。

目前常見的直接式質(zhì)量流量計有雙渦輪質(zhì)量流量計、動量矩式質(zhì)量流量計、慣性力式質(zhì)景流量計、科里奧利式質(zhì)量流量計以及熱式質(zhì)量流量計等。

雙渦輪質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)原理是，兩個由彈簧連接的渦輪,受流體本身的流動能量沖擊而旋轉(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，測量因扭角造成的信號時間差，可得質(zhì)量流量。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是檢測元件利用內(nèi)能源工作, 不需外加能量，結(jié)構(gòu)簡單，但對彈性元件的性能要求較高 ，且需在設(shè)計上考慮消除流體受第一個渦輪擾動后對第二個渦輪的影響，以及在流體擾動影響下兩個渦輪之間可能發(fā)生的扭曲振動。

 動量矩式和慣性力式質(zhì)量流量計是根據(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，運動狀態(tài)發(fā)生變化，其變化量的大小與質(zhì)量有關(guān). 測量運動狀態(tài)對時間的變化率； 即可測得質(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. 動量矩式質(zhì)量流量汁是用流體動量矩的變化反映質(zhì)量流量的. 其典型結(jié)構(gòu)是在儀表殼內(nèi)存一個主動輪和一個從動倫，分別裝在短軸上，電動機(jī)以恒定角速度 驅(qū)動主動輪. 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，則動量矩J＝m = 。由于從動輪被彈簧限制，不能旋轉(zhuǎn)，所以測出彈簧的制動力短即可反映動量矩。此動量矩對時間的變化率 . 因 系定值, 故測量 即可反映質(zhì)量流量M＝ 。而慣性方式質(zhì)量流量計一般是利用被則流體流經(jīng)以等速轉(zhuǎn)功的可動測量管件時，得到一個附加加速度，從而可動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, 由測量慣性力或慣性力矩可測得質(zhì)量流量。與雙渦輪質(zhì)量流量計相比較，動量矩和慣性力式質(zhì)量流量計都需要外能源才能工作。達(dá)一類流量計目前發(fā)展較快和應(yīng)用較廣的是一種被稱為科里奧利式質(zhì)量流量計，它是通過測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)動參照系中的運動物體，對在轉(zhuǎn)動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動狀態(tài)，這種力就是科里奧利力，簡稱科氏力。例如以一個圓盤為轉(zhuǎn)功參照系，若圓盤繞中心軸轉(zhuǎn)動, 其角速度為 ，設(shè)一物體由旋轉(zhuǎn)中心沿圓盤半徑以速度 相對于圓盤作勻速直線運動，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——運動物體的質(zhì)量；

——物體在轉(zhuǎn)動參照系中的運動速度；

——轉(zhuǎn)動參照系的角速度。

如上所述，科里奧利力的存在是以徑向速度 和轉(zhuǎn)動角速度 同時存在為先決條件的，任一速度為零，都不會產(chǎn)生科里奧利力。

由式(10—3)可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)動角速度 一定時，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量質(zhì)量流量的最原始的理論依據(jù)。在流量測量中，使被則流體以某流速 流過以 角速度轉(zhuǎn)動的可動管件，以達(dá)到 與 同時存在的條件, 此可動管件稱之謂流量測量管。測量管可以用旋轉(zhuǎn)方式或周期振動方式來實現(xiàn)所需的 值。當(dāng)流體流過測量管時, 相當(dāng)于流過角速度以一定周期變化方向的旋轉(zhuǎn)式測量管, 同樣會產(chǎn)生科氏效應(yīng)，而在結(jié)構(gòu)上相對比較簡單。

為了求出科里奧利力與質(zhì)量流量的關(guān)系式, 以振動式單U形管結(jié)構(gòu)為例，如圖10—1所示．測量管在電磁驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動下以固有振動頻率作周期性上下振功。當(dāng)流體流過振動管時，流體被強(qiáng)制接受管子的垂直動量。以管子向上運功的振動半周期為例，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——測量管中流體的質(zhì)量，kg；

     ——被訓(xùn)流體沉迪，m／q

——測量管向上方運動的角速度, rad/s。

圖10—1所示  振動式單u形流量測量管

質(zhì)量流量的定義為單位時間流過通流截面的流體質(zhì)量．即

M=              (10--5)

式中  m——在時間t內(nèi)流過測量管中流體的質(zhì)量，kg；

      t——流體流過測量管的時間。

    對勻迎流體:                (10—6)

式中  l——測量管長度，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)

由于測量管的長度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----與測量管長度l及角速度 有關(guān)的常數(shù)；

    其余符號同前。

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)測量管的結(jié)構(gòu)及其振動的驅(qū)動系統(tǒng)確定后，k則為已知常量，測量科氏力f c即可求得質(zhì)量流量M，同理，若分析測量管向下運動的振動半周期或流出側(cè)管內(nèi)的流體時，也會得到同樣的結(jié)論。

采用不同的方法測量科氏力f c， 以及選擇不問形式的測量管結(jié)構(gòu)和用不同的方式使測量管獲得需要的轉(zhuǎn)動角速度 , 可以制成多種類型的科里奧利力質(zhì)量流量計。只要所有被測流體都流過測量管，流體的質(zhì)量流量就可直接測得，

對單U形振動管, 也常利用測量U形管的形變量來反映科氏力fc的大小。因為流體在U形管流入側(cè)及流出側(cè)的流動方向相反，所以u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。一般的儀表檢測方式是，通過位于流量測量管兩側(cè)的電磁感應(yīng)器測量在這兩點上管子振動的速度，和由于管子的變形引起這兩個速度信號之間的時間差，然后把此信號送到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將信號進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)換成直接與質(zhì)量流量成正比的電信號輸出。

若采用兩個U形振動管作流量測量管，兩根管子的振動及變形相位差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。

科里奧利力式質(zhì)量流量計除了上述采用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、Li—Lee質(zhì)量流量計、旋轉(zhuǎn)陀螺式質(zhì)量流量計、振動陀螺式質(zhì)量流量計、旋轉(zhuǎn)振功式及懸臂式質(zhì)量流量計等．

熱式質(zhì)量流量計也是目前發(fā)展較快的一種直接式質(zhì)量流量計，它的基本原理是，利用外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動造成的溫度場變化來反映質(zhì)顯流量。溫度場的變化用加熱器前后端的溫差來表示。被測流體的質(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)測量的手段看都較恒定功率法簡單，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)量流量計根據(jù)熱源及測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

這種質(zhì)量流量計的加熱元件和測溫元件都置于被測流體的管道內(nèi)，與流體直接接觸，常被稱為托馬斯流量計，適于測量氣體的較大質(zhì)量流量. 其結(jié)構(gòu)原理如圖10—2所示。由于加熱及測量元件與被測流體直接接觸，因此元件易受流體腐蝕和磨損，影響儀表的測量靈敏度和使用壽命。測量高流速、有腐蝕性的流體時不宜選用，這是接觸式的缺點。

2．非接觸式熱式質(zhì)量流量計

這種流量計的加熱及測溫元件都置于流體管道外，與被測流體不直接接觸，克服了接觸式的缺點。熱式微流量行(是非接觸式質(zhì)量流量計的典型結(jié)構(gòu))如圖10—3所示。儀表的測量導(dǎo)管，為薄壁小口徑鎳管，鎳管外部兩側(cè)纏繞鉑電阻絲3、5作為測溫線圈，并作為沒量電橋的兩臂R1、R2。兩測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，由于測溫線圈對稱地安裝在加熱器兩側(cè)且阻值相等(各100 左右)，因此測量電橋處于平衡狀態(tài)。但當(dāng)流體在鎳管中流經(jīng)測溫電阻時，就破壞了加熱器的溫度場，兩測溫線圈處于不同的溫度場內(nèi)，因而引起電阻值發(fā)生變化。兩測溫線圈阻值不等，破壞了電橋的平衡。根據(jù)電橋平衡原理，由檢流計8測得電阻值的變化, 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

       1—測量導(dǎo)管;  2—等溫外殼;   3—測溫線圈;  4—加熱線圈

                7—調(diào)零電阻;    8—檢流計

熱式微流量計適用于測量液體和氣體的微小質(zhì)量流量?？蓽y0--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)簡化，有些產(chǎn)品取消了加熱器，只用兩只測量電阻，既作加熱元件又作為測溫元件。這種設(shè)計，由于熱慣性的原因，儀表反映速度比較小，靈敏度較低; 被測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)量流量計的流量測量范圍，設(shè)計了一種邊界層質(zhì)量流量計，它利用測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)熱員測量反映質(zhì)量流量。

    熱式質(zhì)量流量計目前發(fā)展較快的有：熱線質(zhì)量流量計、邊界層質(zhì)量流量計、分流式熱毛細(xì)管質(zhì)量流量計以及用IC基板技術(shù)的熱式質(zhì)量流量計等。

 把一個非流線型阻流體（Bluff Body）垂直插入管道中，隨著流體繞過阻流體流動，產(chǎn)生附面層分離現(xiàn)象，形成有規(guī)則的旋渦列，左右兩側(cè)旋渦的旋轉(zhuǎn)方向相反。這種旋渦稱為卡門渦街。根據(jù)卡門的研究，這些渦列多數(shù)是不穩(wěn)定的，只有形成相互交替的內(nèi)旋的兩排渦列，且渦列寬度h與同列相鄰的兩旋渦的間距l(xiāng)之比滿足           =0.281（對圓柱形旋渦發(fā)生體）時，這樣的渦列才是穩(wěn)定的。生產(chǎn)旋渦分離的阻流體稱為旋渦發(fā)生體。渦街流量計是根據(jù)旋渦脫離旋渦發(fā)生體的頻率與流量之間的關(guān)系來測量流量的儀表。  

    1．卡門渦街的產(chǎn)生與現(xiàn)象

    為說明卡門渦街的產(chǎn)生，我們來考慮粘性流體繞流圓柱體的流動．當(dāng)流體速度很低時，流體在前駐點速度為零，來流沿圓柱左右兩側(cè)流動，在圓柱體前半部分速度逐漸增大，壓力下降，后半部分速度下降，壓力升高，在后駐點速度又為零．這時的流動與理想流體統(tǒng)流圓柱體相同，無旋渦產(chǎn)生，如圖3—7a所示．

    隨著來流速度增加，圓柱體后半部分的壓力梯度增大，引起流體附面層的分離，如圖3—7b所示．當(dāng)來流的雷諾數(shù)Re再增大，達(dá)到40左右時，由于圓柱體后半部附面層中的流體微團(tuán)受到更大的阻滯，就在附面層的分離點S處產(chǎn)生一對旋轉(zhuǎn)方面相反的對稱旋渦．如圖3－7c所示．

在一定的留諾數(shù)Re范圍內(nèi)，穩(wěn)定的卡門渦街的及旋渦脫落頻率與流體流速成正比．

圖3－7   圓柱繞渦街產(chǎn)生示意圖

2．卡門渦街的穩(wěn)定條件

并非在任何條件下產(chǎn)生的渦街都是穩(wěn)定的．馮·卡門在理論上已證明穩(wěn)定的渦街條件是：渦街兩列旋渦之間的距離為h，單列兩渦之間距離為 ，若兩者之間關(guān)系滿足

                          ＝1

              或                  h /  ＝0. 281                     （3－24）

時所產(chǎn)生的渦街是穩(wěn)定的。

    3．渦街運動速度

為了導(dǎo)出旋渦脫落頻率與流速之間的關(guān)系，首先要得到渦街本身的運動速度  ．為便于討論，我們假定在旋渦發(fā)生體上游的來源是無旋、穩(wěn)定的流動，即其速度環(huán)量為零．從湯姆生定理可知，在旋渦發(fā)生體下游所產(chǎn)生的兩列對應(yīng)旋渦的速度環(huán)量  ，必然大小相等，方向相反，其合環(huán)量為零，由于對應(yīng)兩渦的旋向相反，速度環(huán)量大小相等，所以在整個渦群的相互作用下，渦街將以一個穩(wěn)定的速度  向上游運動．從理論計算可得．  的表示式為

               ＝  tan h                                  (3-25)

對于穩(wěn)定的渦街，將式（3－25）代入，有：

             =  tan h(0. 281  )=                          (3-26)

4．流體流速與旋渦脫落頻率的關(guān)系

    從前面討論可知，當(dāng)流體以流速u流動時，相對于旋渦發(fā)生體，渦街的實際向下游運動速度為u－ur．如果單列旋渦的產(chǎn)生頻率為每秒f個旋渦，那么，流速與頻率的關(guān)系為

                       u－ur = fl                        (3－27)

    將式(3－26)代入，可得到流速u與旋渦脫落頻率f之間的關(guān)系．但是，在實際上不可能測得速度環(huán)量  的數(shù)值，所以只能通過實驗來確定來流速度u與渦街上行速度ur之間的關(guān)系，確定因注形旋渦發(fā)生體直徑d與渦街寬度h之間的關(guān)系，有：

h＝1. 3d                        （3－28）

ur＝0. 14u                       （3－29）

將式（3－24），（3－27），（3－28），（3－29）聯(lián)立，可得：

                  f＝  ＝ ＝         （3－29’）

                   0. 2u / d

也可將上式寫成：

                  St＝   0. 2                        (3－30)

St稱為斯特羅哈數(shù)．從實驗可知，在雷諾數(shù)Re為3×l02－3×l05范圍內(nèi)，流體速度u與旋渦脫落頻率的關(guān)系是確定的．也就是說，對于圓柱形旋渦發(fā)生體，在這個范圍內(nèi)它的斯特羅哈數(shù)St是常數(shù)，并約等于0．2，與理論計算值吻合的很好．對于圓柱型式的旋渦發(fā)生體，其斯特羅哈數(shù)St也是常數(shù)，但有它自己的數(shù)值．圖3－8為圓往型旋渦發(fā)生體產(chǎn)生的渦街結(jié)構(gòu)．

根據(jù)以上分析，從流體力學(xué)的角度可以判定渦街流量計測量的上下限流量為：Re＝3×102－2×l05．當(dāng)雷諾數(shù)更大時，圓柱體周圍的邊界層將變成紊流，不符合上述規(guī)律，并且將會是不穩(wěn)定的．

圖3－8     渦街結(jié)構(gòu)示意圖

5．流體振動原理

    當(dāng)渦街在旋渦發(fā)生體下游形成以后，仔細(xì)觀察其運動，可見它一面以速度u－ur平行于軸線運動，另外還在與軸線垂直方向上振動．這說明流體在產(chǎn)生旋渦的同時還受到一個垂直方向上力的作用．下面討論這個垂直方向上力的產(chǎn)生原因及計算方法．

同前討論，假定來流是無旋的，根據(jù)湯姆生定律：沿封閉流動流線的環(huán)量不隨時間而改變．那么，當(dāng)在旋渦發(fā)生體右(或左)下方產(chǎn)生一個旋渦以后，必須在其它地方產(chǎn)生一個相反的環(huán)量，以使合環(huán)量為零．這個環(huán)量就是旋渦發(fā)生體周圍的環(huán)流．根據(jù)茹科夫斯基的升力定理，由于這個環(huán)量的存在，會在旋渦發(fā)生體上產(chǎn)生一個升力，該升力垂直于來流方向．設(shè)作用在旋渦發(fā)生體每單位長度上的升力為L，有：

                 L＝  u                              （3－31）

式中    ――流體密度；

        u――來流速度；

 ――旋渦發(fā)生體的速度環(huán)量．

    從前面的討論中可以得到以下關(guān)系，

   ＝2   ur；ur=K1u；  ＝K2d ；

    將上述關(guān)系代入式(3—1)，并令系數(shù)K＝2  K1K2，則有：

                    L＝K  du2                             (3－32)

    這就是作用在旋渦發(fā)生體上的升力．由于旋渦在旋渦發(fā)生體兩側(cè)交替發(fā)生，且旋轉(zhuǎn)方向相反，故作用在發(fā)生體上的力亦是交替變化的．而流體則受到發(fā)生體的反作用力，產(chǎn)生垂直于鈾線方向的振動，這就是流體振動的原理．

    從上述分析可以知道：交替地作用在旋渦發(fā)生體上升力的頻率就是旋渦的脫落頻率．通過檢測該升力的變化頻率，就可以得到旋渦的脫落頻率，從而可得流體的流速值。

    6．流量公式

渦街流量計是一種速度式流量計，它測的是流體的流速u．為得到流量值，必須乘以流通截面積A．對于不同形式的旋渦發(fā)生器，它的流通截面積計算是不同的．以下僅舉圓柱形流通截面積A可表示為

                  A≈  （1－1. 25  ）                     （3－33）

由此可得流量公式為

                 qv＝Au＝   （1－1. 25  ）             （3－34）

從該式可知，流量qv與旋渦脫落頻率f在一定雷諾數(shù)范圍內(nèi)成線性關(guān)系。因此，也將這種流量計稱為線性流量計。

 在推導(dǎo)頻率與流速關(guān)系式時，使用了渦街的穩(wěn)定條件：間隔比h／ l ，這說明旋渦產(chǎn)生的頻率受到一定的旋渦空間構(gòu)造影響，而旋渦的空間結(jié)構(gòu)與旋渦發(fā)生體的形狀有關(guān)．

    另外，在前面的討論中，我們還應(yīng)該注意到：

    ①在上述推導(dǎo)過程中，均是在一維流動的條件下的．然而在圓管中的流動，是具有軸對稱分布的三維流動．

    ②在上流有管道存在的條件下，會有附加的流速分布畸變、旋流、波動等不穩(wěn)定因素．

    上述兩點都會對旋渦的穩(wěn)定性與規(guī)律性產(chǎn)生重要的影響．所以，在渦街現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)以后的很長時間內(nèi)，一直未能用來進(jìn)行測量流量，除了信號檢測技術(shù)以外，上述兩點也是重要的原因．為了克服上述因素帶來的影響，必須對旋渦發(fā)生體形狀有一定要求，使管內(nèi)的旋渦發(fā)生體處流動盡量接近二維流動，以控制三維流動中旋渦發(fā)生體發(fā)出的旋渦相位，使渦線彎曲變得極?。?/p>

    由此可見，旋渦發(fā)生體形狀對渦的發(fā)出有決定性的影響．

    1. 旋渦發(fā)生體形狀的基本要求

    旋渦發(fā)生體的形狀目前已有很多種式樣，但它們必須具有一些相同的基本要求：

    ①有鈍的(即非流線型的)截面形狀――這是產(chǎn)生旋渦的條件；

    ②上下截面形狀相同，并且左右對稱――流動接近二維流動的條件；

    ③邊界層分離點是固定的——斯特羅哈數(shù)St恒定的條件．

    同時，旋渦發(fā)生體在管道中的安裝位置必須嚴(yán)格對稱．旋渦發(fā)生體上游必須具有10倍D以上的直管，下游必須有5倍D的直管．

    2．旋渦發(fā)生體的基本結(jié)構(gòu)

    旋渦發(fā)生體形狀有圓柱、三角往、T型柱、四角柱等，以下主要介紹圓柱與三角柱這兩種型式。

(1)圓柱型旋渦發(fā)生體

前面關(guān)于旋渦理論部分的內(nèi)容就是以圓柱為例進(jìn)行討論的。雖然這種型式使用較早，但嚴(yán)格地說，在高流速下它的斯特羅哈數(shù)St并不穩(wěn)定．因此，人們就將其改進(jìn)成開狹縫或?qū)嚎仔问剑?/p>

圖3－9   圓柱旋渦發(fā)生器                       圖3－10   電容式三角柱旋渦發(fā)生體

1－導(dǎo)壓孔；2－空腔；3－隔墻；4－鉑緣

開導(dǎo)壓孔的圓柱旋渦發(fā)生器如圖3－9所示．由于有導(dǎo)壓孔存在，當(dāng)旋渦發(fā)出的同時產(chǎn)生的交替升力使流體通過導(dǎo)壓孔流動，產(chǎn)生一邊吸入，一邊吹出的效果．當(dāng)流體附面層在圓柱表面開始分離時，在吸入一側(cè)，分離被抑制；在吹出一例，分離則被促進(jìn)發(fā)生．這樣就可使流體分離點的位置固定下來，也就可以使斯特羅哈數(shù)St相對穩(wěn)定．

    （2）三角柱型旋渦發(fā)生體

    目前采用較多的旋渦發(fā)生體是三角柱形的，其形狀一般由實驗確定．它不僅可以得到比圓柱更強(qiáng)烈的旋渦，而且它的邊界層分離點是固定的，即其斯特羅哈數(shù)St相對恒定，大約為St＝0．16．這樣，渦頻與流速的關(guān)系為f＝0．16 u／d，其中d為三角柱的底邊寬度．形狀可見圖3－10所示

渦輪流量計的結(jié)構(gòu)原理

    1．渦輪流量計的工作原理

渦輪流量計的原理示意圖如圖3—1所示．在管道中心安放一個渦輪，兩端由軸承支撐．當(dāng)流體通過管道時，沖擊渦輪葉片，對渦輪產(chǎn)生驅(qū)動力矩，使渦輪克服摩擦力矩和流體阻力矩而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)．在一定的流量范圍內(nèi)，對一定的流體介質(zhì)粘度，渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度與流體流速成正比．由此，流體流速可通過渦輪的旋轉(zhuǎn)角速度得到，從而可以計算得到通過管道的流體流量．

渦輪的轉(zhuǎn)速通過裝在機(jī)殼外的傳感線圈來檢測．當(dāng)渦輪葉片切割由殼體內(nèi)永久磁鋼產(chǎn)生的磁力線時，就會引起傳感線圈中的磁通變化．傳感線圈將檢測到的磁通周期變化信號送入前置放大器，對信號進(jìn)行放大、整形，產(chǎn)生與流速成正比的脈沖信號，送入單位換算與流量積算電路得到并顯示累積流量值；同時亦將脈沖信號送入頻率電流轉(zhuǎn)換電路，將脈沖信號轉(zhuǎn)換成模擬電流量，進(jìn)而指示瞬時流量值．

    渦輪流量計總體原理框用見圖3—2所示．

    2．渦輪流量計的構(gòu)造

    流體從機(jī)殼的進(jìn)口流入．通過支架將一對袖承固定在管中心軸線上，渦輪安裝在軸承上．在渦輪上下游的支架上裝有呈輻射形的整流板，以對流體起導(dǎo)向作用，以避免流體自旋而改變對渦輪葉片的作用角度．在渦輪上方機(jī)殼外部裝有傳感線圈，接收磁通變化信號．

    下面介紹主要部件．

    (1)渦輪

    渦輪由導(dǎo)磁不銹鋼材料制成，裝有螺旋狀葉片．葉片數(shù)量根據(jù)直徑變化而不同，2－24片不等．為了使渦輪對流速有很好的響應(yīng)，要求質(zhì)量盡可能?。?/p>

對渦輪葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)的一般要求為：葉片傾角10°－15°(氣體)，30°－45°（液體）；葉片重疊度P為1—1．2；葉片與內(nèi)殼間的間隙為0．5—1mm．

    (2)軸承

    渦輪的軸承一般采用滑動配合的硬質(zhì)合金軸承，要求耐磨性能好．

由于流體通過渦輪時會對渦輪產(chǎn)生一個軸向推力，使鈾承的摩擦轉(zhuǎn)矩增大，加速鈾承磨損，為了消除軸向力，需在結(jié)構(gòu)上采取水力平衡措施，這方法的原理見圖3—3所示．由于渦輪處直徑DH略小于前后支架處直徑Ds，所以，在渦輪段流通截而擴(kuò)大，流速降低，使流體靜壓上升  P，這個  P的靜壓將起到抵消部分軸向推力的作用．

圖3－3   水力平衡原理示意圖

(3)前置放大器

前置放大器由磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)換器與放大整形電路兩部分組成，示意圖見圖3—4所示．

磁電轉(zhuǎn)換器國內(nèi)一般采用磁阻式，它由永久磁鋼及外部纏繞的感應(yīng)線圈組成．當(dāng)流體通過使諷輪旋轉(zhuǎn)的，葉片在永久磁鋼正下方時磁阻最小，兩葉片空隙在磁鋼下方時磁阻最大，渦輪旅轉(zhuǎn)，不斷地改變磁路的磁通量，使線圈中產(chǎn)生變化的感應(yīng)電勢，送入放大整形電路，變成脈沖信號．

輸出脈沖的頻率與通過流量計的流量成正比，其比例系數(shù)K為

                      K＝ f/(qv)                               （3－1）

式中  f――渦輪流量計輸出脈沖頻率；

      qv——通過流量計的流量．

該比例系數(shù)亦稱為渦輪流量計的儀表系數(shù)。

圖3－4  渦輪流量計前置放大器原理圖

(4)信號接收與顯示

    信號接收與顯示器內(nèi)系數(shù)校正器、加法器和頻電轉(zhuǎn)換器等組成，其作用是將從前置放大器送來的脈沖信號變換成累積流量和瞬時流量并顯示．

渦輪流量計的特點與安裝使用

    1．渦輪流量計的特點

    從前面的討論中可知，渦輪流量計是一種有很多優(yōu)點的流量儀表．歸納起來，它有如下特點．

    (1)準(zhǔn)確度高

    渦輪流量計的準(zhǔn)確度在(0．5－0. 1)％左右．在線性流量范圍內(nèi)，即使流量發(fā)生變化，累積流量準(zhǔn)確度也不會降低．并且在短時間內(nèi)，渦輪流量計的再現(xiàn)性可達(dá)0．05％．

    (2)量程比寬

    渦輪流量計的量程比可達(dá)8—10．在同樣口徑下，渦輪流量計的最大流量值大于很多其它流量計．

    (3)適應(yīng)性強(qiáng)

    渦輪流量計可以做成封閉結(jié)構(gòu)，其轉(zhuǎn)速信號是非接觸測量，所以容易實現(xiàn)耐高壓設(shè)計。

    如果流量計的渦輪和軸承選擇耐高溫、熱膨脹系數(shù)小的材料，就可以在較寬的溫度范圍內(nèi)使用．這時，應(yīng)注意對它的儀表系數(shù)進(jìn)行修正(主要是其流通截面的變化)：

                      K＝K0[1－(  R＋2  H)(t－to)]                     (3－23)

式中  K，K0——使用時和校驗時的儀表系數(shù)；

      t，t0——使用時和校驗時的流體溫度；

       R，  H分別為渦輪和機(jī)殼的材料膨脹系數(shù)．

    (4)數(shù)字信號輸出

    渦輪流量計輸出為與流量成正比的脈沖數(shù)字信號．它具有在傳輸過程中準(zhǔn)確度不降低、易于累積、易于送入計算機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點．

    2. 渦輪流量計的安裝使用

    要想充分發(fā)揮渦輪流量計的特點，在流量計的安裝使用上還必須加以充分注意．下面概要討論一下這方面的問題．

    (1)被測介質(zhì)

    渦輪流量計所測得的液體，一般是低粘度的(一般應(yīng)小于15×l0－6m2／s)、低腐蝕性的液體．雖然目前已經(jīng)有用于各種介質(zhì)測量的渦輪流量計，但對高溫、高粘度、強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的測量仍需仔細(xì)考慮，采取相應(yīng)的措施．當(dāng)介質(zhì)粘度v大于15×l0－6m2／s時，流量計的儀表系數(shù)必須進(jìn)行實液標(biāo)定，否則會產(chǎn)生較大的誤差．

    汽－液兩相流、氣－固兩相流、濃－固兩相流均不能用渦輪流量計進(jìn)行測量．

    (2)安裝配管要求

    流量計的安裝情況對流量計的測量準(zhǔn)確度影響很大．

    ①流速分布不均和管內(nèi)二次流的存在是影響渦輪流量計測量準(zhǔn)確度的重要因素．所以，渦輪流量計對上、下游直管段有—定要求．對于工業(yè)測量，一般要求上游20D，下游5D的直管長度．為消除二次流動，最好在上游端加裝整流器．若上游端能保證有20D左右的直管段，并加裝整流器，可使流量計的測量準(zhǔn)確度達(dá)到標(biāo)定時的準(zhǔn)確度等級．

    ②渦輪流量計對流體的清潔度有較高要求，在流量計前須安裝過濾器來保證流體的清潔．過濾器可采用漏斗型的，其本身清潔度，可測其兩端的差壓變化得到．

    ③為保證通過流量計的液體是單相的，即不能讓空氣或蒸氣進(jìn)入流量計，在流量計上游必要時應(yīng)裝消氣器．對于易氣化的液體，在流量計下游必須保證一定背壓．該背壓的大小可取最大流量下流量傳感器壓降的二倍加上最高溫度下被測液體蒸氣壓的1．2倍．

(3)信號傳輸線

為了保證顯示儀表對渦輪傳感器輸出的脈沖信號有足夠的靈敏度，就要提高信噪比．為此，在安裝時應(yīng)防止各種電干擾現(xiàn)象，即電磁感應(yīng)，靜電及電容耦合．所以，在配置信號傳輸線時，必須注意如下幾點：

①限制信號線的最大長度．信號線的最大長度為，L＝dV；其中，V為在最小流量時傳感線圈的輸出電壓有效值，mV；d為系數(shù)，m／mV，其值可?。篤＜1000mV時，d＝1．0；1000 mV＜d＜5000 mV時，d＝1．5；V＞5000mV時，d＝2．0．

②信號傳輸線應(yīng)采用屏蔽電纜，以防來自外部的感應(yīng)噪聲．要求傳輸電纜在顯示儀表端屏蔽接地．傳輸電纜不能靠近強(qiáng)電磁設(shè)備，不允許與動力線乎行布置．

(4)運轉(zhuǎn)維護(hù)

①當(dāng)渦輪流量計的管道需要清洗時，必須開旁路，清洗液體不能通過流量計．

②管道系統(tǒng)啟動時必須先開旁路，以防止流速突然增加，引起渦輪轉(zhuǎn)速過大而損壞．

③渦輪流量計軸承應(yīng)定期更換，一般可根據(jù)小流量特性變化來觀察其軸承的磨損情況．

第一節(jié)  概   述    

                M=Q                (10-1)

或              M=A               (10-2)

式中 ----被測流體的密度，kg／m3;

       ----流通截面A處的平均流速，m／s.

 動量矩式和慣性力式質(zhì)量流量計是根據(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，運動狀態(tài)發(fā)生變化，其變化量的大小與質(zhì)量有關(guān). 測量運動狀態(tài)對時間的變化率； 即可測得質(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. 動量矩式質(zhì)量流量汁是用流體動量矩的變化反映質(zhì)量流量的. 其典型結(jié)構(gòu)是在儀表殼內(nèi)存一個主動輪和一個從動倫，分別裝在短軸上，電動機(jī)以恒定角速度  驅(qū)動主動輪. 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，則動量矩J＝m  =  。由于從動輪被彈簧限制，不能旋轉(zhuǎn)，所以測出彈簧的制動力短即可反映動量矩。此動量矩對時間的變化率 . 因 系定值, 故測量  即可反映質(zhì)量流量M＝  。而慣性方式質(zhì)量流量計一般是利用被則流體流經(jīng)以等速轉(zhuǎn)功的可動測量管件時，得到一個附加加速度，從而可動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, 由測量慣性力或慣性力矩可測得質(zhì)量流量。與雙渦輪質(zhì)量流量計相比較，動量矩和慣性力式質(zhì)量流量計都需要外能源才能工作。達(dá)一類流量計目前發(fā)展較快和應(yīng)用較廣的是一種被稱為科里奧利式質(zhì)量流量計，它是通過測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)動參照系中的運動物體，對在轉(zhuǎn)動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動狀態(tài)，這種力就是科里奧利力，簡稱科氏力。例如以一個圓盤為轉(zhuǎn)功參照系，若圓盤繞中心軸轉(zhuǎn)動, 其角速度為  ，設(shè)一物體由旋轉(zhuǎn)中心沿圓盤半徑以速度  相對于圓盤作勻速直線運動，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)

 ——物體在轉(zhuǎn)動參照系中的運動速度；

 ——轉(zhuǎn)動參照系的角速度。

如上所述，科里奧利力的存在是以徑向速度  和轉(zhuǎn)動角速度  同時存在為先決條件的，任一速度為零，都不會產(chǎn)生科里奧利力。

由式(10—3)可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)動角速度  一定時，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量質(zhì)量流量的最原始的理論依據(jù)。在流量測量中，使被則流體以某流速  流過以  角速度轉(zhuǎn)動的可動管件，以達(dá)到  與  同時存在的條件, 此可動管件稱之謂流量測量管。測量管可以用旋轉(zhuǎn)方式或周期振動方式來實現(xiàn)所需的  值。當(dāng)流體流過測量管時, 相當(dāng)于流過角速度以一定周期變化方向的旋轉(zhuǎn)式測量管, 同樣會產(chǎn)生科氏效應(yīng)，而在結(jié)構(gòu)上相對比較簡單。

為了求出科里奧利力與質(zhì)量流量的關(guān)系式, 以振動式單U形管結(jié)構(gòu)為例，如圖10—1所示．測量管在電磁驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動下以固有振動頻率作周期性上下振功。當(dāng)流體流過振動管時，流體被強(qiáng)制接受管子的垂直動量。以管子向上運功的振動半周期為例，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)

      ——被訓(xùn)流體沉迪，m／q

 ——測量管向上方運動的角速度, rad/s。

       

M=               (10--5)

    對勻迎流體:                 (10—6)

     fc= 2  (10—7

    M＝ c                       (10—8)

由于測量管的長度l及其轉(zhuǎn)功的角速度  均為常數(shù)，故  為常數(shù)，設(shè)k＝  ，則

式中  k----與測量管長度l及角速度  有關(guān)的常數(shù)；

采用不同的方法測量科氏力f c， 以及選擇不問形式的測量管結(jié)構(gòu)和用不同的方式使測量管獲得需要的轉(zhuǎn)動角速度  , 可以制成多種類型的科里奧利力質(zhì)量流量計。只要所有被測流體都流過測量管，流體的質(zhì)量流量就可直接測得，

熱式質(zhì)量流量計也是目前發(fā)展較快的一種直接式質(zhì)量流量計，它的基本原理是，利用外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動造成的溫度場變化來反映質(zhì)顯流量。溫度場的變化用加熱器前后端的溫差來表示。被測流體的質(zhì)量流量M與加熱器前后端溫差  之間酌關(guān)系是

                           (10--10)

    ——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)測量的手段看都較恒定功率法簡單，從功率表上讀出P值即可得到M值,因而應(yīng)用廣泛。

這種流量計的加熱及測溫元件都置于流體管道外，與被測流體不直接接觸，克服了接觸式的缺點。熱式微流量行(是非接觸式質(zhì)量流量計的典型結(jié)構(gòu))如圖10—3所示。儀表的測量導(dǎo)管，為薄壁小口徑鎳管，鎳管外部兩側(cè)纏繞鉑電阻絲3、5作為測溫線圈，并作為沒量電橋的兩臂R1、R2。兩測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，由于測溫線圈對稱地安裝在加熱器兩側(cè)且阻值相等(各100  左右)，因此測量電橋處于平衡狀態(tài)。但當(dāng)流體在鎳管中流經(jīng)測溫電阻時，就破壞了加熱器的溫度場，兩測溫線圈處于不同的溫度場內(nèi)，因而引起電阻值發(fā)生變化。兩測溫線圈阻值不等，破壞了電橋的平衡。根據(jù)電橋平衡原理，由檢流計8測得電阻值的變化, 即可求得質(zhì)量流量M。

          

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，與管的交點為O，由于管內(nèi)流體質(zhì)點在軸向以速度V、在徑向以角速度ω運動，此時流體質(zhì)點受到一個切向科氏力Fc。這個力作用在測量管上，在O點兩邊方向相反，大小相同，為：
δFc ＝ 2ωVδm 
　　因此，直接或間接測量在旋轉(zhuǎn)管道中流動的流體所產(chǎn)生的科氏力就可以測得質(zhì)量流量。這就是科里奧利質(zhì)量流量計的基本原理。

 

圖1 科里奧利力的形成 　　　　　　　圖2 早期科氏力質(zhì)量流量計

二、 結(jié)構(gòu)

　　早期設(shè)計的科氏力質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)如圖2所示。將在由流動流體的管道送入一旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)中，由安裝在轉(zhuǎn)軸上的扭矩傳感器，來完成質(zhì)量流量的測量。這種流量計只是在試驗室中進(jìn)行了試制。
　　在商品化產(chǎn)品設(shè)計中，通過測量系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生科氏力是不切合實際的，因而均采用使測量管振動的方式替代旋轉(zhuǎn)運動。以此同樣實現(xiàn)科氏力對測量管的作用，并使得測量管在科氏力的作用下產(chǎn)生位移。由于測量管的兩端是固定的，而作用在測量管上各點的力是不同的，所引起的位移也各不相同，因此在測量管上形成一個附加的扭曲。測量這個扭曲的過程在不同點上的相位差，就可得到流過測量管的流體的質(zhì)量流量。 
　　我們常見的測量管的形式有以下幾種：S形測量管、U形測量管、雙J形測量管、B形測量管、單直管形測量管、雙直管形測量管、Ω形測量管、雙環(huán)形測量管等，下面我們分別對其結(jié)構(gòu)作一簡單介紹。

1． S形測量管質(zhì)量流量計
　　如圖3所示，這種流量計的測量系統(tǒng)由兩根平行的S形測量管、驅(qū)動器和傳感器組成。管的兩端固定，管的中心部位裝有驅(qū)動器，使管子振動。在測量管對稱位置上裝有傳感器，在這兩點上測量振動管之間的相對位移。質(zhì)量流量與這兩點測得的振蕩頻率的相位差成正比。

 

圖3 S形質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

　　這種質(zhì)量流量計的工作原理及工作過程，如圖4所示。

 

　　　　　　圖4 無流動時位移傳感器的輸出

　　當(dāng)測量管中流體不流動時，兩根測量管在驅(qū)動力作用下（作用在每根管子上的力大小相等、方向相反）作對稱的等振幅運動。由于管子兩端是固定的，在管子中間振幅最大，到兩端逐漸減為零。這時在兩個傳感器上測得的相位如圖4B所示，由圖中可以看出，兩傳感器測得的相位差為零。當(dāng)測量管內(nèi)流體以速度V流動時，流體中任意值點的流速，可認(rèn)為是兩個分流速的合成：水平方向Vx及垂直方向Vy（與振動方向相同）。在恒定流條件下，流體沿水平方向的流速Vx保持恒定。從圖5中可以看出，管子的進(jìn)、出口處振幅為零，流體質(zhì)點垂直移動速度Vx為零；

 

　　　　　　　　　　　　圖5 振動管受力分析

　　當(dāng)流體質(zhì)點有進(jìn)口流入圖示振動方向的測量管時，流體質(zhì)點的垂直流動速度為+Vy，同樣在流體質(zhì)點流向出口時，其垂直流動速度為-Vy。由此可以推出，流體質(zhì)點在通過振動的測量管時，垂直方向的速度是一個從零逐漸加大，直到中間最大，再逐漸減小到零的過程。由力學(xué)原理可知，速度的變化是由加速度引起的，而加速度是力作用于其上的結(jié)果。根據(jù)這個原理，稱這個垂直速度變化為科氏加速度Ac，因此作用于流體質(zhì)量M上的科氏力為Fc＝Mac。在測量管上與中心距離相等的兩點上，作用的科氏力大小相等，方向相反。
　　此科氏力作用在測量管上，就產(chǎn)生了如圖5所示的結(jié)果，即在中間點上產(chǎn)生一對力，引起測量管輕微的扭曲或變形。而實際上在振蕩運動時是兩根S管同時所受的振蕩，其運動方向相反，受力相等，如圖6所示。

 

圖6 作用在測量管上的科氏力

　　隨著振蕩運動的進(jìn)行，測量管被周期性地分開、靠攏，科氏力也周期性地作用在兩根測量管上，通過安裝在測量管上的位移創(chuàng)按其A、B，測出由科氏力引起的測量管相對位置的變化，通常轉(zhuǎn)化為測兩點的相位差，如圖7所示。這個相位差的大小與質(zhì)量流量成正比。

 

 

圖7 位移傳感器的輸出

2． U形測量管質(zhì)量流量計
　　如圖8所示，U形管為單、雙測量管兩種結(jié)構(gòu)，單測量管型工作原理

 

 

圖8a 單U形管結(jié)構(gòu)

 

 


圖8b 雙U形管結(jié)構(gòu)


　　如圖9所示，電磁驅(qū)動系統(tǒng)以固定頻率驅(qū)動U形測量管振動，當(dāng)流體被強(qiáng)制接受管子的垂直運動時，在前半個振動周期內(nèi)，管子向上運動，測量管中流體在驅(qū)動點前產(chǎn)生一個向下壓的力，阻礙管子的向上運動，二在驅(qū)動點后產(chǎn)生向上的力，加速管子向上運動。這兩個力的合成，使得測量管發(fā)生扭曲；在振動的另外半周期內(nèi)，扭曲方向則相反。

 

 

圖9 U形管工作原理

　　 
　　測量管扭曲的程度，與流體流過測量管的值來質(zhì)量流量成正比，在驅(qū)動點兩側(cè)的測量管上安裝電磁感應(yīng)器，以測量其運動的相位差，這一相位差直接正比于流過的質(zhì)量流量。 
　　在雙U形測量管結(jié)構(gòu)中，兩根測量管的振動方向相反，使得測量管扭曲相位相差180度，如圖10所示。相對單測量管型來說，雙管型的檢測信號有所放大，流通能力也有所提高。

 

 

圖10 測量管變形示意圖

3． 雙J形管質(zhì)量流量計
　　如圖11所示，兩根J形管以管道為中心，對稱分布；安裝在J形部分的驅(qū)動器使管子以某一固定的頻率振動。

 

圖11 J形管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

　　其工作原理如圖12所示，當(dāng)測量管中的流體以一定速度流動時，由于振動的存在使得測量管中的流體產(chǎn)生一個科氏力效應(yīng)。此科氏力作用在測量管上，但在上下兩支管上所產(chǎn)生的科氏力的方向不同，管的直管部分產(chǎn)生不同的附加運動，即產(chǎn)生一個相對位移的相位差。

 

圖12 J形管工作原理

　　在雙J形管測量系統(tǒng)中，兩根管在同一時刻的振動方向相反，加大了其上部與下部兩直管間的相對位移的相位差。如圖13 所示，在流體不流動時，從A、B兩傳感器測得的位移信號的相位差為零。

 

圖13 無流動時測量管振動狀態(tài) 

　　當(dāng)測量管內(nèi)的流體流動時，在驅(qū)動其振動的某一方向上，科氏力產(chǎn)生的反作用力在測量管上的影響結(jié)果如圖14所示，管1分開和管2靠近時，管1上部運動加快，下部減慢，管2則在相反的方向上同樣上部加快，下部減慢；結(jié)果在上部和下部安裝的傳感器測得的信號之間存在一個相位差，如圖15所示。這個信號的大小直接反映了質(zhì)量流量。

 
圖14 有流動時測量管振動狀態(tài)

 

圖15 傳感器輸出信號 

4． B形管質(zhì)量流量計
　　如圖16所示，流量測量系統(tǒng)由兩個相互平行的B形管組成。被測流體經(jīng)過分流器被均勻送入兩根B形測量管中，驅(qū)動裝置安裝在兩管之間的中心位置，以某一穩(wěn)定的諧波頻率驅(qū)動測量管振動。在測量管產(chǎn)生向外運動時，如圖17a所示，直管部分被相互推離開，在驅(qū)動器的作用下回路L1'和L1''相互靠近，同樣回路L2'和L2''也相互靠近。由于每個回路都由一端固定在流量計主體上，旋轉(zhuǎn)運動在端區(qū)被抑制因而集中在節(jié)點附近。

 
圖16 B形管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

　　而回路中的流體在科氏力作用下示的回路L1'和L1''相互靠近的速度減慢，而另一端L2'和L2''兩回路相互靠近速度增加。

 
圖17 B形管工作時的受力狀態(tài)

　　在測量管產(chǎn)生向內(nèi)運動時，如圖17b所示，則相反的情況發(fā)生。直管段部分在驅(qū)動力的作用下相互靠近，而兩斷面上的兩回路朝相互離開的方向運動。管道內(nèi)流體產(chǎn)生的科氏力疊加在這個基本運動上會使L1'和L1''兩回路的分離速度加快，而使L2'和L2''兩回路的分離速度減小。
　　通過在端面兩回路之間合理的安裝傳感器，這些由科氏力引入的運動就可用來精確測定流體的質(zhì)量流量。

5． 單直管形質(zhì)量流量計
　　這種流量計的結(jié)構(gòu)如圖18所示，測量系統(tǒng)由一兩端固定（法蘭）的直管及其上的振動驅(qū)動器組成。

 
圖18 單直管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

　　在管中流體不流動時，驅(qū)動器使管子振動，管中流體不產(chǎn)生科氏力，A、B兩點受力相等，變化速度相同，如圖19b所示。

 
圖19 單直管質(zhì)量流量計工作原理 

　　當(dāng)測量管中流體以速度V在管中流動時，由于受到C點振動力的影響（此時的振動力是向上的），流體質(zhì)點從A點運動到C點時被加速，質(zhì)點產(chǎn)生反作用力F1，使管子向上運動速度減慢；而在C點到B點之間，流體質(zhì)點被減速，使管子向上的運動速度加快。結(jié)果在C點兩邊的這兩個方向相反的力使管子產(chǎn)生一個變形，這個變形的相位差與測管中流體流過的質(zhì)量流量成正比。

6． 雙直管形質(zhì)量流量計
　　圖20 雙直管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

 
圖20 雙直管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

　　相對單直管來說雙直管形可減少壓力損失，增大傳感器感受信號，其實際中的結(jié)構(gòu)如圖20所示，驅(qū)動器安放與中心位置，兩個光電傳感器只與中心兩側(cè)對稱位置上，其中圖20a所示結(jié)構(gòu)測量管受軸向力的影響很小。雙直管形質(zhì)量流量計的工作原理如圖21所示，當(dāng)流體不流動時，光電傳感器受到的管子所產(chǎn)生的位移的相位是相同的；當(dāng)流體介質(zhì)流過兩根振動的測量管時，便產(chǎn)生了科里奧利力，這個力使測量管的振點兩邊發(fā)生相反的位移，振點之前的測管中流體介質(zhì)使管子振蕩衰減，即管子位移速度減慢；振點之后的測管中流體介質(zhì)使振蕩加強(qiáng)，即管子位移速度加快。通過光電傳感器，測得兩端的相位差，這個相位差在振蕩頻率一定時正比與測管中的質(zhì)量流量。 

 
圖21 雙直管測量原理 

7． Ω形測量管質(zhì)量流量計
　　這種流量計的結(jié)構(gòu)如圖22所示，驅(qū)動器放在直管部分的中間位置，當(dāng)管中流體以一定速度流動時，由于驅(qū)動器的振動作用，使管子分開或靠近。

 
圖22 Ω形測量管質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)

　　如圖23a，當(dāng)管子分開時，在振點前的流體中產(chǎn)生的科里奧利力與振動力方向相反，減慢管子的運動速度；而在振點之后管中流體產(chǎn)生的科氏力與振動方向相同，加快管子的運動速度。當(dāng)驅(qū)動器使管子靠近時，如圖23b，則產(chǎn)生相反的結(jié)果。在A、B兩點的傳感器可測的兩處管字運動的相位差，由此可得到流過測管中流體的質(zhì)量流量。

 
 

 

圖23Ω形管質(zhì)量流量計測量原理

8． 雙環(huán)形測量管質(zhì)量流量計
　　這種流量計有一對平行的帶有短直管的螺旋管組成，如圖24所示。在管子的中間位置D裝有驅(qū)動器，使兩根測量管受到周期性的相反的振動，在橢圓螺旋管的兩端，與中間點D等距離位置上，設(shè)置兩個傳感器，測量這兩點的管子間相對運動速度，這兩個相對運動速度的相位差與流過測量管中的流體質(zhì)量流量成正比。

 
圖24 雙環(huán)形質(zhì)量流量計

　　其工作原理簡述如下：當(dāng)測管中流體不流動時，振動力使管子產(chǎn)生的變形，在中間點兩邊是一樣的，傳感器處的兩測點上，測得的振動位移的相位差為零，當(dāng)測管中流體流動時，在振幅最大點之前，流體質(zhì)點由于受到科氏力的作用產(chǎn)生一個與振動方向相反的作用力，而在這點之后產(chǎn)生一個與振動方向相同的作用力，由于在同一時刻兩根測量管所受到的作用力大小相等，方向相反，因此反映在兩傳感器處測點上管子的運動速度得到增大或減小，測量這兩點的相位差就可得到通過測量管流體的質(zhì)量流量。 

三、 質(zhì)量流量計結(jié)構(gòu)特性

　　在一個測量系統(tǒng)中，流體質(zhì)點作用在測量管上的科氏力是很小的，這給精確的測量帶來很大的困難。為使測量管產(chǎn)生足夠強(qiáng)的信號，就應(yīng)加大科氏力對測量管的作用或在同樣的科氏力的作用下增大測量管的變形。ω
從原理上講Fc＝2ωVM，在被測流體一定時，只有加大ω或V，才能提高Fc。實際中ω的增加，在儀表上就需要提高振動頻率和振動的振幅。振動頻率的提高，嚴(yán)重地影響測量管的壽命，而振幅的提高就需提供較大的動力。V的增加就是增加流速，這樣即增加了測量管上的靜壓，也增大流量計對整個系統(tǒng)的壓力損失。這些對流量計本身和整個系統(tǒng)都是不利的。
　　另一方面從結(jié)構(gòu)設(shè)計上，就要考慮提高科氏力作用在振動管上的效率及提高傳感器的檢測能力，對后者性能的提高在此不討論。要想提高科氏力作用在測量管上的效率，必須在結(jié)構(gòu)形狀上提高測量管整體的系統(tǒng)彈性，減少鋼性，選用彈性好、性能穩(wěn)定的材料，并準(zhǔn)確選擇系統(tǒng)的振蕩頻率。以達(dá)到同樣的科氏力作用下，測量管的變形量增加。一般來說，測量管的管壁越薄，長度越長，結(jié)構(gòu)形狀的系統(tǒng)彈性越好，作用在管上的科氏力就越明顯。這樣可使測量管的變形加大，信噪比增加，還可減少外界帶來的干擾。測量管上所受的應(yīng)力不要過于集中在一點上，以免造成機(jī)械疲勞。應(yīng)力作用的形式不同，也對管子的疲勞和測量靈敏度造成一定的影響。對于不同的結(jié)構(gòu)，由于其設(shè)計思路不同，各有特色，但也存在著一些問題，每一種形式均不可能達(dá)到盡善盡美。針對這些問題，制造廠商也不斷地對其產(chǎn)品進(jìn)行改善，以提高其產(chǎn)品的性能，增強(qiáng)其競爭能力。下面就具體的結(jié)構(gòu)對性能的影響進(jìn)行簡單分析。

1． 測量管的形狀：
　　測量系統(tǒng)彈性的增加，增大了作用于振動管系統(tǒng)的科氏力的效應(yīng)，但也增大外界機(jī)械噪聲的干擾和儀表體積。測量管應(yīng)盡量減少急劇彎曲，最大可能的增大測量管內(nèi)徑，這樣可以減少壓力損失。雙測量管型的信噪比得到增加，流通能力也增加，別普遍采用。

2． 管壁
　　壁厚增加使管子更具有剛性，也增加了流動時管子的固定質(zhì)量，減少了流體中夾雜氣體時，由于其分布的不均勻引起比重變化對管子振動的影響，同時提高測量管耐壓、耐磨性，但會降低系統(tǒng)彈性，影響測量的靈敏性。

3． 制造和安裝
　　測量管的形狀在制作過程應(yīng)保證其對稱性，在雙測量管結(jié)構(gòu)中應(yīng)保證兩根管的一致性，傳感器的定位要準(zhǔn)確，以減少測量中由于密度或粘度變化對測量結(jié)果的影響。流量質(zhì)量分配的不穩(wěn)定性，給測量結(jié)果的準(zhǔn)確性帶來影響。 
　　從原理上講，測量管所受科氏力的大小只與流體的質(zhì)量流量有關(guān)，與流體密度、粘度無關(guān)。但密度的變化會帶來附加的慣性力；而粘度的變化時測量管的內(nèi)壁附著層不同，產(chǎn)生不同的邊界層效應(yīng)。結(jié)果引起測量管的質(zhì)量分配不穩(wěn)定，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度帶來影響。

超聲波在流動的流體中傳播時就載上流體流速的信息。因此通過接收到的超聲波就可以檢測出流體的流速，從而換算成流量。根據(jù)檢測的方式，可分為傳播速度差法、多普勒法、波束偏移法、噪聲法及相關(guān)法等不同類型的超聲波流量計。起聲波流量計是近十幾年來隨著集成電路技術(shù)迅速發(fā)展才開始應(yīng)用的一種

非接觸式儀表，適于測量不易接觸和觀察的流體以及大管徑流量。它與水位計聯(lián)動可進(jìn)行敞開水流的流量測量。使用超聲波流量比不用在流體中安裝測量元件故不會改變流體的流動狀態(tài)，不產(chǎn)生附加阻力，儀表的安裝及檢修均可不影響生產(chǎn)管線運行因而是一種理想的節(jié)能型流量計。

    眾所周知，目前的工業(yè)流量測量普遍存在著大管徑、大流量測量困難的問題，這是因為一般流量計隨著測量管徑的增大會帶來制造和運輸上的困難，造價提高、能損加大、安裝不僅這些缺點，超聲波流量計均可避免。因為各類超聲波流量計均可管外安裝、非接觸測流，儀表造價基本上與被測管道口徑大小無關(guān)，而其它類型的流量計隨著口徑增加，造價大幅度增加，故口徑越大超聲波流量計比相同功能其它類型流量計的功能價格比越優(yōu)越。被認(rèn)為是較好的大管徑流量測量儀表，多普勒法超聲波流量計可測雙相介質(zhì)的流量，故可用于下水道及排污水等臟污流的測量。在發(fā)電廠中，用便攜式超聲波流量計測量水輪機(jī)進(jìn)水量、汽輪機(jī)循環(huán)水量等大管徑流量，比過去的皮脫管流速計方便得多。超聲被流量汁也可用于氣體測量。管徑的適用范圍從2cm到5m，從幾米寬的明渠、暗渠到500m寬的河流都可適用。

    另外，超聲測量儀表的流量測量準(zhǔn)確度幾乎不受被測流體溫度、壓力、粘度、密度等參數(shù)的影響，又可制成非接觸及便攜式測量儀表，故可解決其它類型儀表所難以測量的強(qiáng)腐蝕性、非導(dǎo)電性、放射性及易燃易爆介質(zhì)的流量測量問題。另外，鑒于非接觸測量特點，再配以合理的電子線路，一臺儀表可適應(yīng)多種管徑測量和多種流量范圍測量。超聲波流量計的適應(yīng)能力也是其它儀表不可比擬的。超聲波流量計具有上述一些優(yōu)點因此它越來越受到重視并且向產(chǎn)品系列化、通用化發(fā)展，現(xiàn)已制成不同聲道的標(biāo)準(zhǔn)型、高溫型、防爆型、濕式型儀表以適應(yīng)不同介質(zhì)，不同場合和不同管道條件的流量測量。

 超聲波流量計目前所存在的缺點主要是可測流體的溫度范圍受超聲波換能鋁及換能器與管道之間的耦合材料耐溫程度的限制，以及高溫下被測流體傳聲速度的原始數(shù)據(jù)不全。目前我國只能用于測量200℃以下的流體。另外，超聲波流量計的測量線路比一般流量計復(fù)雜。這是因為，一般工業(yè)計量中液體的流速常常是每秒幾米，而聲波在液體中的傳播速度約為1500m／s左右，被測流體流速(流量)變化帶給聲速的變化量最大也是10－3數(shù)量級．若要求測量流速的準(zhǔn)確度為1％，則對聲速的測量準(zhǔn)確度需為10-5～10-6數(shù)量級，因此必須有完善的測量線路才能實現(xiàn)，這也正是超聲波流量計只有在集成電路技術(shù)迅速發(fā)展的前題下才能得到實際應(yīng)用的原因。

    超聲波流量計由超聲波換能器、電子線路及流量顯示和累積系統(tǒng)三部分組成。超聲波發(fā)射換能器將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量，并將其發(fā)射到被測流體中，接收器接收到的超聲波信號，經(jīng)電子線路放大并轉(zhuǎn)換為代表流量的電信號供給顯示和積算儀表進(jìn)行顯示和積算。這樣就實現(xiàn)了流量的檢測和顯示。

    超聲波流量計常用壓電換能器。它利用壓電材料的壓電效應(yīng)，采用適出的發(fā)射電路把電能加到發(fā)射換能器的壓電元件上，使其產(chǎn)生超聲波振勸。超聲波以某一角度射入流體中傳播，然后由接收換能器接收，并經(jīng)壓電元件變?yōu)殡娔?，以便檢測。發(fā)射換能器利用壓電元件的逆壓電效應(yīng)，而接收換能器則是利用壓電效應(yīng)。

超聲波流量計換能器的壓電元件常做成圓形薄片，沿厚度振動。薄片直徑超過厚度的10倍，以保證振動的方向性。壓電元件材料多采用鋯鈦酸鉛。為固定壓電元件，使超聲波以合適的角度射入到流體中，需把元件故人聲楔中，構(gòu)成換能器整體(又稱探頭)。聲楔的材料不僅要求強(qiáng)度高、耐老化，而且要求超聲波經(jīng)聲楔后能量損失小即透射系數(shù)接近1。常用的聲楔材料是有機(jī)玻璃，因為它透明，可以觀察到聲楔中壓電元件的組裝情況。另外，某些橡膠、塑料及膠木也可作聲楔材料。

超聲波流量計的電子線路包括發(fā)射、接收、信號處理和顯示電路。測得的瞬時流量和累積流量值用數(shù)字量或模擬量顯示。

    根據(jù)對信號檢測的原理，目前超聲波流量計大致可分傳播速度差法(包括：直接時差法、時差法、相位差法、頻差法)波束偏移法、多普勒法、相關(guān)法、空間濾波法及噪聲法等類型，如圖所示。其中以噪聲法原理及結(jié)構(gòu)最簡單，便于測量和攜帶，價格便宜但準(zhǔn)確度較低，適于在流量測量準(zhǔn)確度要求不高的場合使用。由于直接時差法、時差法、頻差法和相位差法的基本原理都是通過測量超聲波脈沖順流和逆流傳報時速度之差來反映流體的流速的，故又統(tǒng)稱為傳播速度差法。其中頻差法和時差法克服了聲速隨流體溫度變化帶來的誤差，準(zhǔn)確度較高，所以被廣泛采用。按照換能器的配置方法不同，傳播速度差撥又分為：Z法(透過法)、V法(反射法)、X法(交叉法)等。波束偏移法是利用超聲波束在流體中的傳播方向隨流體流速變化而產(chǎn)生偏移來反映流體流速的，低流速時，靈敏度很低適用性不大．多普勒法是利用聲學(xué)多普勒原理，通過測量不均勻流體中散射體散射的超聲波多普

勒頻移來確定流體流量的，適用于含懸浮顆粒、氣泡等流體流量測量。相關(guān)法是利用相關(guān)技術(shù)測量流量，原理上，此法的測量準(zhǔn)確度與流體中的聲速無關(guān)，因而與流體溫度，濃度等無關(guān)，因而測量準(zhǔn)確度高，適用范圍廣。但相關(guān)器價格貴，線路比較復(fù)雜。在微處理機(jī)普及應(yīng)用后，這個缺點可以克服。噪聲法(聽音法)是利用管道內(nèi)流體流動時產(chǎn)生的噪聲與流體的流速有關(guān)的原理，通過檢測噪聲表示流速或流量值。其方法簡單，設(shè)備價格便宜，但準(zhǔn)確度低。

以上幾種方法各有特點，應(yīng)根據(jù)被測流體性質(zhì)．流速分布情況、管路安裝地點以及對測量準(zhǔn)確度的要求等因素進(jìn)行選擇。一般說來由于工業(yè)生產(chǎn)中工質(zhì)的溫度常不能保持恒定，故多采用頻差法及時差法。只有在管徑很大時才采用直接時差法。對換能器安裝方法的選擇原則一般是：當(dāng)流體沿管軸平行流動時，選用Z法；當(dāng)流動方向與管鈾不平行或管路安裝地點使換能器安裝間隔受到限制時，采用V法或X法。當(dāng)流場分布不均勻而表前直管段又較短時，也可采用多聲道(例如雙聲道或四聲道)來克服流速擾動帶來的流量測量誤差。多普勒法適于測量兩相流，可避免常規(guī)儀表由懸浮?；驓馀菰斐傻亩氯?、磨損、附著而不能運行的弊病，因而得以迅速發(fā)展。隨著工業(yè)的發(fā)展及節(jié)能工作的開展，煤油混合(COM)、煤水泥合(CWM)燃料的輸送和應(yīng)用以及燃料油加水助燃等節(jié)能方法的發(fā)展，都為多普勒超聲波流量計應(yīng)用開辟廣闊前景。

 超聲波多普勒流量計測量原理
1．基本工作原理

    超聲波多普勒流量計的測量原別是以物理學(xué)中的多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的。根據(jù)聲學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源和觀察者之間有相對運動時，觀察者所感受到的聲頻率將不同于聲源所發(fā)出的頻率。這個因相對運動而產(chǎn)生的頻率變化與兩物體的相對速度成正比．

    在超聲波多普勒流量測量方法中，超聲波發(fā)射器為一固定聲源，隨流體一起運動的固體顆粒起了與聲源有相對運動的“觀察者”的作用，當(dāng)然它僅僅是把入射到固體顆粒上的超聲波反射回接收據(jù)．發(fā)射聲波與接收聲波之間的頻率差，就是由于流體中固體顆粒運動而產(chǎn)少的聲波多普勒頻移．由于這個頻率差正比于流體流速，所以測量頻差可以求得流速．進(jìn)而可以得到流體的流量．

    因此，超聲波多普勒流量測量的一個必要的條件是：被測流體介質(zhì)應(yīng)是含有一定數(shù)量能反射聲波的固體粒子或氣泡等的兩相介質(zhì)．這個工作條件實際上也是它的一大優(yōu)點，即這種流量測量方法適宜于對兩相流的測量，這是其它流量計難以解決的問題．因此，作為一種極有前途的兩相流測量方法和流量計，超聲波多普勒流量測量方法目前正日益得到應(yīng)用．

    2．流量方程

    假設(shè)，超聲波波束與流體運動速度的夾角為  ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導(dǎo)出聲波多普勒頻差與流速的關(guān)系式．

如圖3—39所示，當(dāng)超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動．對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u cos a的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應(yīng)低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為

              f2－f1＝－f1                            （3－73）

即粒子收到的超聲波頻率為

              f2＝f1－ f1                              （3－74）

式中   f1――發(fā)射超聲波的頻率；

a――超聲波束與管軸線夾角；

c――流體中聲速。

固體粒子又將超聲波束散射給接收器，由于它以u cos a 的速度離開接收器，所以接收器收到的超聲波頻率f3又一次降低，類似于f2的計算，f3可表示為

             f3＝f2－ f2                              （3－75）

將f2的表達(dá)式代入上式，可得：

             f3＝f1（1－  )2 

              ＝f1（1－2  ＋  ）                （3－76）

由于聲速c遠(yuǎn)大于流體速度u，故上式中平方項可以略去，由此可得：

             f3＝f1（1－2  ）                           （3－77）

接收器收到的超聲波頻率與發(fā)射超聲波頻率之差，即多普勒頻移  f1，可由下式計算：

           f＝f1－f3＝f1－f1（1－2  ）

                 ＝f1                                     （3－78）

由上式可得流體速度為

             u＝  f                                    （3－79）

體積流量qv可以寫成：

          qv＝uA＝ f                            （3－80）

式中，A為被測管道流通截面積．

    出以上流量方程可知，當(dāng)流量計、管道條件及被測介質(zhì)確定以后，多普勒頻移與體積流量成正比，測量頻移 f就可以得到流體流量qv。

    5．關(guān)于流量方程的幾點討論

    (1)流體介質(zhì)溫度對測量的影響

由流量方程可見，流雖測量結(jié)果受流體中的聲速c的影響．一般來說，流體中聲速與介質(zhì)的溫度、組分等有關(guān)，很難保持為常數(shù)．為了避免測量結(jié)果受介質(zhì)溫度、組分變化的影響，超聲波多普勒流量計一般采用管外聲楔結(jié)構(gòu)，使超聲波束先通過聲楔及管壁再進(jìn)入流體。設(shè)聲楔材料中的聲速為c1；流體中聲速為c；聲波由聲楔進(jìn)入流體的入射角為  ；在流體中的折射角為  ；超聲波束與流體流速夾角為a；見圖3－40所示，根據(jù)折射定理，有：

＝ ＝ 

代入流量關(guān)系式，可得：

            qv＝  f                               （3－81）

由此式可見，采用聲楔結(jié)構(gòu)以后，流量與頻移關(guān)系式中僅含有聲楔材料中的聲速c1而與流體介質(zhì)中的聲速c無關(guān)．而聲速c1溫度變化要比流體中聲速c隨溫度變化小一個數(shù)量極，且與流體組分無關(guān)．所以，采用適當(dāng)材料制造聲楔，可以大幅度提高流量測量的準(zhǔn)確度．

    (2)信息窗與平均多普勒頻移

為有效地接收多普勒頻移信號，超聲波多普勒流量計的換能器通常采用收發(fā)一體結(jié)構(gòu)，見圖3—41所示．由圖中可見，換能器接收到的反射信號只能是發(fā)射晶片和接收晶片的兩個指向性波束重疊區(qū)域內(nèi)的粒子的反射波，這個重疊區(qū)域稱為多普勒信號的信息窗

圖3－40   聲楔與聲波的折射

流量計接收換能器所收到的信號就是由信息窗中所有流動懸浮粒子的反射波疊加，即其信息窗內(nèi)多普勒頻移為疊加的平均值．平均的多普勒頻移  f可以表示為

           f＝              （I＝1，2，3…）             （3－82）

式中  f——信息窗內(nèi)所有反射粒子的多普勒頻移的平均值；

       Ni——產(chǎn)生多普勒頻移 fi的粒子數(shù)；

      fi－一任一個懸浮粒子產(chǎn)生的多普勒頻移．

    從上述討論可知，該流量計測得的多普勒頻移信號僅反映了信息窗區(qū)域內(nèi)的流體速度，所以要求信息窗應(yīng)位于管內(nèi)接近平均流速的區(qū)域上，才能使其測量值能反映管內(nèi)流體的

平均流速．但是管內(nèi)平均流速區(qū)域的位置是一與雷諾救有關(guān)的函數(shù)，當(dāng)管內(nèi)流動的雷諾數(shù)Re發(fā)生變化時，其平均流速區(qū)域位置也將改變．而一旦流量計安裝完畢，其多普勒信息窗位置就固定了，為使測得的多普勒頻移信號  f能在不同雷諾數(shù)Re條件下均能正確地反映流量值，在流量計算公式中引入流速修正系數(shù)K．流速修正系數(shù)K是雷諾數(shù)Re和信息窗位置的函數(shù)，用它來對因上述原因引起的測量誤差進(jìn)行修正．因此，超聲波多普勒流量計的實際流量計算式可以寫成：

圖3－41 多普勒信息窗

qv＝ 

                                  （3－83）

式中，符號意義同前。

  容積式流量測量是采用固定的小容積來反復(fù)計量通過流量計的流體體積．所以，在容積式流量計內(nèi)部必須具有構(gòu)成一個標(biāo)準(zhǔn)體積的空間，通常稱其為容積式流量計的“計量空間”或“計量室”．這個空間由儀表殼的內(nèi)壁和流量計轉(zhuǎn)動部件一起構(gòu)成．

    容積式流量計的工作原理為：流體通過流量計，就會在流量計進(jìn)出口之間產(chǎn)生一定的壓力差．流量計的轉(zhuǎn)動部件(簡稱轉(zhuǎn)子)在這個壓力差作用下特產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，并將流體由入口排向出口．在這個過程中，流體一次次地充滿流量計的“計量空間”，然后又不斷地被送往出口．在給定流量計條件下，該計量空間的體積是確定的，只要測得轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動次數(shù)．就可以得到通過流量計的流體體積的累積值．

設(shè)流量計計量空間體積為v(m3)，一定時間內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動次數(shù)為N，則在該時間內(nèi)流過的流體體積為

                       V＝Nv                            （2－1）

再設(shè)儀表的齒輪比常數(shù)為 a， a的值由傳遞轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的齒輪組的齒輪比和儀表指針轉(zhuǎn)動一周的刻度值所確定。若儀表指示值為I，它與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動次數(shù)N的關(guān)系為

                           I＝ a N                            （2－2）

由式(2—1)和(2－2)可得在一定時間內(nèi)通過儀表的流體體積與儀表指示值的關(guān)系

                      V＝ (v/a) I                             （2－3）

容積式流量計的結(jié)構(gòu)

    為了適應(yīng)生產(chǎn)中對流量測量的各種不同介質(zhì)和不同工作條件的要求，產(chǎn)生了各種不同型式的容積式流量計．其中比較常見的有齒輪型、刮板型和旋轉(zhuǎn)活塞型等三種型式，現(xiàn)分別介紹如下．

    1．齒輪型容積式流量計

    這種流量計的殼體內(nèi)裝有兩個轉(zhuǎn)子，直接或間接地相互嚙合，在流量計進(jìn)口與出口之間的壓差作用下產(chǎn)生轉(zhuǎn)動．通過齒輪的旋轉(zhuǎn)，不斷地將充滿在齒輪與殼體之間的“計量空間”中的流體排出．通過測量齒輪轉(zhuǎn)動次數(shù)，可得到通過流量計的流體量．

圖2—1中示出是橢圓齒輪型容積流量計(也稱奧巴爾容積流量計)的示意圖

圖2－1 橢圓齒輪流量計工作示意圖

由圖可見，該流量計由兩橢圓齒輪相互嚙合進(jìn)行工作，其工作過程簡述如下：圖中P1表示流量計進(jìn)口流體壓力；表示出口流體壓力，顯然壓力P1大于P2．在圖2—1(a)中，下面轉(zhuǎn)子雖然受到流體的壓差作用，但不產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，而上面齒輪在兩例差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩而轉(zhuǎn)動．由于兩個齒輪互相嚙合，故各自以O(shè)1，O2為軸心按箭頭方向旋轉(zhuǎn)，同時齒輪O1將半月形計量空間的流體排向出口．在圖2—1(a)狀態(tài)時，上齒輪為主動輪，下齒輪為從動輪．在圖2－1(b)位置時，兩個齒輪均在流體差壓作用下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，并在該力矩作用下沿箭頭方向旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變到圖2—1(c)所示的位置．這時齒輪位置與圖2—1(a)相反，下齒輪為主動輪，上齒輪為從動輪．下齒輪在進(jìn)出口流體差壓作用下旋轉(zhuǎn)，又一次將它與殼體之間的半月型“計量空間”中的流體排出．如此連續(xù)不斷運動，橢圓齒輪每轉(zhuǎn)一周，就排出四份“計量空間”流體體積．因此，只要讀出齒輪的轉(zhuǎn)數(shù)，就可以計算出排出的液體量．參考圖2－2，可計算出排出的流體總量為

                     V＝4nv

                      ＝2 n（R2－ab)

                       （2－4）

式中  n——齒輪的轉(zhuǎn)動次數(shù)；

      a，b——橢圓齒輪的長半袖，短半鈾；

 ­­­­—— 橢圓齒輪的厚度．

另一種齒輪型容積式流量計是腰輪容積流量計，也稱羅茨型容積流量計．這種流量計的工作原理和工作過程與橢圓齒輪型基本相同，同樣是依靠進(jìn)，出口流體壓力差產(chǎn)生運動，每旋轉(zhuǎn)一周排出四份“計量空間”的流體體積量．所不同的是在腰輪上沒有齒，它們不是直接相互嚙合轉(zhuǎn)動，而是通過按裝在殼體外的傳動齒輪組進(jìn)行傳動．

上述兩種轉(zhuǎn)子型式的容積流量計，可用于各種液體流量的測量，尤其是用于油流量的準(zhǔn)確測量．在高壓力、大流量的氣體流量測量中，這類流量計也有應(yīng)用．由于橢圓齒輪容積流量計直接依靠測量輪嚙合，因此對介質(zhì)的清潔要求較高，不允許有固體顆粒雜質(zhì)通過流量計．   

2．刮板式容積流量計

    刮板式流量計也是一種較常見的容積式流量計．在這種流量計的轉(zhuǎn)子上裝有兩對可以徑向內(nèi)外滑動的刮板，轉(zhuǎn)子在流量計進(jìn)、出口差壓作用下轉(zhuǎn)動，每轉(zhuǎn)動一周排出四份“計量空間”的流體體積．與前一類流量計相同，只要測出轉(zhuǎn)動次數(shù)，就可以計算出排出流體的體積量．

    較常見的凸輪式刮板流量計結(jié)構(gòu)如圖2—4所示．圖中殼體的內(nèi)腔是一圓形空筒，轉(zhuǎn)子也是一個空心圓筒形物體，徑向有一定寬度，徑向在各為90°的位置開四個槽，刮板可以槽內(nèi)自由滑動．四塊刮板由兩根連桿連結(jié)，相互垂直，在空間交叉．在每一刮板的一端裝有一小滾珠，四個滾珠均在一固定的凸輪上滾動使刮板時仲時縮．當(dāng)相鄰兩刮板均伸出至殼體內(nèi)壁時，就形成—計量空間的標(biāo)準(zhǔn)體積．刮板在計量區(qū)段運動時，只隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不滑動，以保證其標(biāo)準(zhǔn)容積恒定．當(dāng)離開計量區(qū)段時，刮板縮入槽內(nèi)，流體從出口排出．同時，后一刮板又與其另一相鄰刮板形成第二個“計量空間”，同樣動作．轉(zhuǎn)子運動一周，排出四份“計量空間”體積的流體．

在刮板式容積流量計中，還有所謂旋轉(zhuǎn)閥式刮板流量計，它的工作原理與凸輪式相似，但結(jié)構(gòu)不同，這里就不詳細(xì)敘述了．

3．旋轉(zhuǎn)活塞式容積流量計

    旋轉(zhuǎn)活塞式(也稱為擺動活塞式)容積流量計的結(jié)構(gòu)與工作原理可見圖2—5所示．

    如圖，旋轉(zhuǎn)活塞位于固定的內(nèi)外圈3，4之間，活塞的軸6靠著導(dǎo)輥5滾動，中間隔板1將計量空間分成兩部分，活塞2的上缺口和隔板1咬合，當(dāng)活塞依箭頭方向運動時與隔板1成直線運動．活塞在進(jìn)出口流體壓力差的作用下，始終與內(nèi)外圓桶壁緊密接觸旋轉(zhuǎn)，交替不斷地將活塞與內(nèi)外圓筒之間的流體排出，通過計算活塞旋轉(zhuǎn)次數(shù)可得到流過的流體量．

    旋轉(zhuǎn)活塞式容積流量計具有通流能力較大的優(yōu)點．它的不足是在工作過程會有一定的泄

漏，所以準(zhǔn)確度較低．