质量流量计简介R0.doc

质量流量计Mass Flowmeter
概述
质量流量计是一种推理式流量计，按测量方法可以分为二大类：一是质量流量间接式测量，即同时测量流体的体积流量和密度值，由运算放大器计算得到流体质量，或是同时测量流体的体积流量和温度、压力值，利用流体密度与温度、压力之间的关系，计算出流体质量；二是质量流量直接式测量方法，流体测量直接反映质量流量值，与流体的温度、压力和密度等参数的变化无关。
中国船级社（CCS）要求
参照《海上移动平台入级规范》第1篇 第3章 附录1 平台入级产品持证要求一览表：
5.3：
Ⅲ级管系以及除5.1以外的阀和附件
证件类型：制造厂证明（Ⅲ级管系应提供工厂认可证书，除5.1以外的阀和附件应提供型式认可证书）
认可模式：型式认可B（可选项：型式认可A）
质量流量计分类
1. 间接式质量流量计
（1） 压力温度补偿式差压流量计
（2） 压力温度补偿式体积流量计
2. 直接式质量流量计
（1） 热式质量流量计（TMF）
I. 托马斯流量计
II. 边界层流量计
III. 旁路管流量计
（2） 冲量式质量流量计（冲板）
（3） 差压式质量流量计（孔板+定流量泵）
（4） 双涡轮式质量流量计
（5） 科里奥利式
质量流量测量技术的发展
流量测量技术的发展与应用和需求是相互依存的，应用和需求是推动流量测量技术发展的动力。
目前，质量流量的各种测量方法，包括间接式和直接式测量方法，都有一定的应用。质量流量间接测量方法，因为引入了多个中间参数的测量，然后进行运算和修正，因而积累误差较大，但因其具有传统方式的继承性，用户又比较熟悉，在一些测量准确度要求不高的场合，应用仍比较多。尤其是采用补偿式方式测量气体的质量流量或气体标况体积方面的应用十分广泛。
质量流量测量技术发展的重点是质量流量直接式测量方法，以提高测量准确度，实现对各种介质在复杂环境条件下的高准确度、高可靠的测量。在质量流量直接式测量方法中，科里奥利质量流量计已经受到各方面用户的青睐。这是因为它能够高准确度的直接测量管道内流体的质量流量，而且稳定度高，可靠性好，量程比大，又适合应用于高粘度流体。
科里奥利质量流量计（CMF）典型结构和工作原理
1 概述
科里奥利质量流量计是利用流体在直线运动的同时处于一旋转系中，产生与质量流量成正比的科里奥利力原理制成的一种直接式质量流量仪表。
从1950年开始，科学家和工程师们花费了许多年试验、开发质量流量仪表，借此消除容积测量的误差及昂贵不便的称重法。在1970年后James.E.Smith—美国高准（Micro Motion）公司的创始人成功地开发了第一个可应用于工业的质量流量计，科里奥利质量流量计，它是根据科里奥利[Coriolis]效应原理研制而成的。1984年James.E.Smith将所发明的“U”型振动管式的科里奥利质量流量计(Coriolis Mass Flow—CMF)投入市场。
2 CMF基本结构
科里奥利质量流量计一般由流量传感器和流量变送器组成
（1） 流量传感器
流量传感器是一种基于科里奥利力效应的相位敏感型谐振式传感器。该传感器由振动管、信号检测器、震荡驱动器、支撑结构和壳体所组成。

（2） 流量变送器
是以微处理为核心的电子系统。它用来向传感器提供驱动力，并将传感器的信号转化为质量流量信号及其他一些有意义的参数信号，同时具有根据温度参数对质量流量和密度测量进行补偿、修正的功能。流量变送器一般输出标准电流信号或频率信号，并可按一定的通讯协议，实现与上位机和DCS系统的交联与远传通讯。变送器上的显示面板可以组态显示所要求的各种参数。

有的流量变送器，没有显示面板和操作键盘，只有模拟量或频率量输出。在实际应用中需要另外配备二次仪表和手操器实现参数显示、流量累积和操作组态。

（3） 流量传感器的测量管结构形式
科里奥利质量流量传感器的测量管有各种不同的结构形式：
I. 按照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。
II. 按照测量管的形状可分为直管型和弯管型两大类。

典型的测量管管型图
目前，科里奥利质量流量传感器的检测振动管管形已发展到二十多种。无论振动管形状如何，基本原理是一致的，都是根据Coriolis效应原理测量流量质量的。

3 CMF测量原理
（1） 基本理论
Coriolis效应是一种自然现象，于1835年在巴黎可尔（Ecole）工业大学的数学教授Gaspard.Gustave de Coriolis定量的。Coriolis效应可解释在地球表面上自由运动的物质为什么会看似弯曲运行在一个转动参照系中当一个物体相对于该系而平移时，除了向心力外还有另一个附加力作用在该物体上，这个力称为Coriolis力。

例如设参照系是一个以恒定角速度绕轴O而转动的圆盘（图），其转动方向图中矢量所示，当一个物体以速度V’沿半径运动时，就有一个“惯性力”FK作用于该物体上，此力的方向垂直于V’，力FK就是Coriolis力，此力即依赖于物体相对于转动参照系的速度V’，也依赖于参照系转动的角速度ω。

Coriolis质量流量计就是将永恒的旋转运动变成了振动在检测器有一个电磁驱动系统，它驱动测量管以它固有的频率振动，这就形成了一个转动参照系，它的振动与调谐振音叉相类似。当一个位于旋转体内的质点作朝向或远离旋转中心的运动时，将产生一惯性力。

当质量为m的质点以匀速V在一个围绕固定点O并以角速度ω旋转的管道移动时，将沿着旋转的法线方向存在一个向心力Fr；沿着切线方向质点对管壁也产生一个反作用力Fc，这个力就是Coriolis力，在旋转角速度一定的条件下，一个质点的Coriolis力的大小与该质量的流速成正比。因此直接或间接测量在旋转管道中的流体所施加的科里奥利力就可以测得质量流量。这就是CMF的基本原理。

（2） CMF测量原理
以Micro motion的U型振动管为例，对Coriolis质量流量计的测量做定量分析：
Micro motion的U型振动管，通常振幅小于1mm，频率大约为80Hz。流体被强制接受管子的垂直动量，在管子向上运动的振动半周期时流入仪表的流体向下压，抵抗管子向上的力；反之，流出仪表流体存在向上的力，抗拒管子对其垂直量的减少而把管子向上推。两个反作用力合成引起流量测量管扭曲；这就是Coriolis效应。在振动的另外半周期，管子向下运动而扭曲方向就相反。图示一个流体，经过一个测量管，有一个质量m和速度V，它以相对O—O轴线的角速度ω旋转，因而产生Coriolis力；

流体的入口和出口的速度矢量在方向上是相反的，如果从尾端观看这个测量管是两个引线（在上图中从R—R轴线看进去），由在入口与出口管线上的流体产生的力F1和F2在方向上是相反的，而大小相等。
由于管子相对O—O轴振动，这个力产生一个相对于R—R轴的振动力矩M（半径是r）。

力矩M产生一个角度偏转即扭转角θ,相对于R—R轴线。这扭转角在振动管移动的中点最大。质量流量通过用电磁感应器测量偏转角θ获得。

测量管扭转的完整周期

（3） 信号处理系统
在流量传感器工作过程中，测量管弹性系统始终处于谐振状态。没有测量管的振动，就没有科氏力的发生，质量流量传感器就停止了工作。

质量流量传感器大多采用电磁法检测相位差的变化。其原理如下图所示，两个检测线圈分别位于其中一根测量管两侧对成位置上，在另一根测量管响应位置上固定着两块永久磁铁。根据电磁感应原理，测量管震动过程中在检测线圈回路里形成相对速度变化的交变电势。当测量管中无流体流动时，测量管进出口侧通过振动中心位置的时间相同，其产生的交变电势相位亦相同；当测量管中有流体流动时，测量管进、出口侧通过振动中心位置的时间不同步，因而产生的交变电势的相位便有了一个差值。

除上图所示的信号处理电路之外，目前大多数弯管型质量流量计也都采用了以微处理器为核心的信号处理电路，其电路框图的一般形式如下图所示：

在上图中，由左、右侧电磁式检测器L、R的测得二列电压正弦信号分别经本安电路到隔离放大器A1、A2进行放大。

同时，由左侧信号检测器L输出的电压正弦信号经隔离放大器A2放大，再经驱动放大器放大后，给驱动线圈提供激励电流，由电磁驱动器激励测量管振荡。而该振动信号又被信号检测器所拾取，从而有信号检测器、放大器和电磁驱动器构成一个正反馈回路，维持测量管振动系统的自激振荡。为了保持测量管的稳幅振动，在驱动放大器上接有负反馈AGC自动增益控制电路,在AGC自动增益控制电路中u2与基准电平相比较，输出一幅值稳定的控制信号到激励线圈，使电磁驱动器驱动测量管以激励频率振动。

左、右侧电磁式检测器L、R的检测信号，经隔离放大器A1、A2放大后，进入信号处理电路，信号处理电路在微处理器的配合下，得到左右检测信号的相位差或时间差△t，这个时间差与质量流量成线性关系。
同时，信号处理电路根据其输入信号u1和u2得测量管的振动频率信号。测量管的振动频率是流体密度的函数，随流体密度增大而减小。微处理器根据检测信号的时间差△t和检测信号的频率f，解算出流体的质量流量和密度。

此外，质量流量传感器中的温度检测元件一般为帖附在测量管进口端管壁上的铂电阻。铂电阻由恒流源供电，并取会铂电阻的端电压，由电压变换电路处理产生电压UR。微处理器根据电压UR解算出测量管的温度值，并对由测量管管材的弹性模量随温度变化所引起的质量流量和密度测量的温度结构误差予以修正。

由微处理器直接驱动电流环和频率环部件，分别输出0/4~20mA标准电流信号和频率信号，标准电流和频率信号所代表的被测量和范围均可以组态。

4 科里奥利质量流量计的应用
（1） 科里奥利质量流量计的应用优势
I. 高精度流量测量：
目前世界各处所应用的CMF其精度（或称不确定度）都优于±0.2%（O、r）、±0.015%（O、f、s），重复性优于±0. 1%（O、r）、±0.01%（O、f、s）。
II. 同时测量多种参数：
CMF不仅可以测量出流体的瞬时质量流量和累积的总质量，同时还可以指示出流体的密度、温度,并由此派生出测量溶液中溶质所含的浓度。
III. 应用范围广泛：
包括高粘度的各种液体、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。CMF还能测量出双组份流中每种已知组份各自的质量流量，这是其它流量仪表难以实现的。
例如油—水双组份流体，只要知道水和油的密度—温度函数关系，就不难从测出的混合质量流量混合密度中计算出各自的质量流量来。
IV. CMF检测器没有可动部件和密封件，从而结构简单、可靠性高、维护简便 。
V. 由于流场分布对CMF正常测量没有影响，所以对仪表上下游没有直管段的长度要求。
VI. 可以用于双相流的测量，能指出流向和质量流量等物理参数。

（2） 科里奥利质量流量计选型
流量仪表选型，首先要根据测量目的以及被测介质的性质、流体的流量范围、工艺条件下的流体参数、安装环境条件等各方面的因素，选用不同类型的流量计。
选型原则：
I. 根据被测流体的类型选择流量计的结构
II. 安全性原则
III. 流量范围
IV. 准确度
V. 压力损失
VI. 其他性能因素
VII. 性能价格比

（3） 科里奥利质量流量计检定
I. 科里奥利质量流量计检定规程：
JJG897—1995《质量流量计检定规程》

II. 科里奥利质量流量计检定的基本内容
i. 外观
ii. 耐压强度
iii. 基本误差
iv. 重复性

III. 检定方法和设备要求
质量流量计的检定，一般是通过流量标准装置来进行的，流量标准装置可分为静态法和动态法两类。对于液体流量测量的质量流量计常采用液体流量标准装置进行检定。其方法有：
i. 静态称量（质量）法
用“质量法液体流量标准装置”，在测量时间间隔内，经换向器进入称量容器的液体质量。

ii. 静态容积加密度计法
用“容积法液体流量标准装置”在测量时间间隔内，经换向器流入定容容器的液体液体体积量，同时测出检定介质的密度，然后经过计算，以求得质量流量。

iii. 标准体积管加密度计法
用“体积管法液体流量标准装置”，在测量时间间隔内，液体直接流入定容容器—标准体积管，同时测出检定介质的密度，然后经过计算，以求得质量流量的方法。
iv. 标准表法
即以标准流量计为标准与被检质量流量计进行直接比较。

无论采用哪种检定方法，检定系统（即流量标准装置）的准确度应优于被检质量流量计基本误差限的1/3以上

从实际运用的情况来看，科里奥利质量流量计无疑是当今世界流量测量仪表中比较先进的一种。但人们从它日益广泛的应用角度又提出了新的期望。人们希望科里奥利质量流量计能更进一步提高测量准确度，特别是从改进结构设计、制造工艺等方面入手，提高零点稳定性。由于科里奥利质量流量计使用谐振式传感器，这就要求流量计的传感器能从结构上适应多种应用环境，并具有较强的抗干扰能力。为了扩大它的使用范围，还希望该流量计能不断提高测量气液两相、液固两相及气相介质的质量流量测量的能力和测量准确度。 质量流量测量技术的发展正着重于两个方面：
（1） 对多相流体、气体、腐蚀性流体、高温高压流体以及大流量和微小流量的流体等，有待使用有效的质量流量测量手段，使得质量流量的品种、规格能满足生产发展的需要。随着科学技术的进步，微波、电磁、核技术及微电子等新技术不断引入质量测量领域，无接触、无阻碍流体运动部件的高准确度测量质量的传感器技术将逐步成熟。质量流量计二次仪表的制造将日趋微电子化、数字化、和智能化，并将容入以现场总线技术为核心的控制和管理网络。

（2） 流量标准装置应满足质量流量计的检定要求。随着生产技术的提高，各种类型质量流量计的准确度等级也在不断地提高，这就要求流量标准装置的准确度等级能够适应这一要求。质量流量计目前大多采用离线检定法，但因试验室检定条件和环境与质量流量计现场使用条件和环境相差甚远，造成附加的使用误差，降低了测量准确度。因此，开发质量流量计的现场在线标定技术，发展现场实液在线检定质量流量计的标准装置是解决这一问题的根本方法。
热式质量流量计（TMF）
1 概述
热式质量流量计（Thermal Mass Flowmeter，简称TMF）在国内习称“量热式流量计”，是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体质量之间的关系来测量流体质量流量的一种流量仪表，一般用来测量气体的质量流量。具有压损低、流量范围度大、高精度、高重复性和高可靠性、无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点；

利用加热流体的热量(或温度)变化测量流体的质量流量已有很长的历史。早期的TMF直接将加热线圈和测温元件放入流体中与流体直接接触，是一种接触式流量计，由于不能解决嘴蚀和磨损以及防爆等问题，使它的工业应用受很大的限制。托马斯流量计是这种流量计的代表，主要用来测量较大流量的气体质量流量；

到20世纪50年代，人们提出了一种与流体不接触的边界层流量计，克服了接触式流量计的缺点，但测量结果易受介质参数（如导热系数、比热容、粘度等）的影响，可以用来测量较大的液体流量；

到70年代，基于测量流体温度分布的热分布型TMF，由于其独特的优点在国内外得到了很快的发展，用来测量气体的微小流量，随着科技的发展，经过对流量计结构上的重新设计，在接触式流量计的基础上，人们提出了一种浸入型的TMF，也得到了很快的发展，可以用来测量较大管径的气体流量。
综上所述，TMF在目前是一种主要用来测量气体质量流量的直接式质量流量计。

2 基本原理
通过测量气体流经流量计内加热元件时的冷却效应来计量气体流量的。气体通过的测量段内有两个热阻元件，其中一个作为温度检测，另一个作为加热器。温度传感元件用于检测气体温度，加热器则通过改变电流来保持其温度与被测气体的温度之间有一个恒定的温度差。当气体流速增加，冷却效应越大，使须保持热电阻间恒温的电流也越大。此热传递正比于气体质量流量，即供给电流与气体质量流量有一对应的函数关系来反映气体的流量。

3 热式质量流量计的用途
（1） 钢铁厂，焦化厂煤气流量测量；
（2） 锅炉空气流量，测量二次风量；
（3） 烟囱排出的烟气流量测量；
（4） 水处理中瀑气流量测量；
（5） 水泥，卷烟，玻璃厂生产过程中气体流量测量；
（6） 压缩空气流量测量；
（7） 天然气，煤气，液化气，火炬气，氢气等气体流量测量。

4 分类
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。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。

5 优点
（1） 热式质量流量计可测量低流速（气体0.02~2m/s）微小流量；浸入式热式质量流量计可测量低~中偏高流速（气体2~60m/s），插入式热式质量流量计更适合于大管径。
（2） 热式质量流量计无活动部件，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。
（3） 热式质量流量计使用性能相对可靠。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。
（4） 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。
（5） 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。

6 缺点
（1） 热式质量流量计响应迅速。
（2） 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。
（3） 对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量。
（4） 对于热分布式热式质量流量计，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。
（5） 对脉动流在使用上将受到限制。
（6） 液体用热式质量流量计对于粘性液体在使用上亦受到限制。

冲量式流量计简介
1 概述
冲量式流量计是应用冲量原理，连续测量在线固体物料流的流量仪表，可显示物料流的瞬时流量和累计流量，流量仪还具有以下功能：
（1） 自动定量给料控制和超流量报警；
（2） 具有标准电压和电流输出，可实现微机联网自动控制；
（3） 具有智能化的特点，可用于集中控制；
（4） 具有数据在线打印功能，串口输出功能（需另配打印仪）；
（5） 通过电脑进行数据管理（需另配打印仪）

2 工作原理
流量计由冲击流量变送器和智能流量积算仪两部分组成。变送器部分由检测板、水平位移机构、位移传感器和前置放大器组成，流量积算仪为一智能化仪表，具有多种功能。

变送器把物料流对检测板的冲击力分解成一个水平分力和Fm和一个垂直分力Fp。垂直分力由变送器的机械结构吸收而消失，水平分力经检测板作用在冲板轴上，通过测量弹簧平衡，并且带动差动变压器线圈中的磁芯移动，把位移量转变为电信号输出给积算仪进行运算和显示。根据牛顿定律，测量出水平分力，就可得到物料相应流量。

3 仪表特点
（1） 仪表本身没有易损件，安装方便，维护量小。
（2） 检测板上粘附物料不会影响仪表零点和精度，不会出现零点漂移现象。
（3） 占地空间小，落差高度大于0.5米以上既可安装。
（4） 流量仪具有线性修正能力。

4 适用范围
冲量流量计适用于任意颗粒的各种散料，但散料的颗重不得大于预定冲量板重量的5%，在尘埃极多的情况下也能准确计量。

5 安装要求
冲量式流量计的安装，要求物料必须保证自由落下，不得有外加作用力于被测物体上。冲板安装角度、进料口于冲板间角度及高度有一定要求，并与量程选择有一定关系，选用前应进行计算。