質量流量計

流體的體積是流體溫度和壓力的函式，是一個因變數，而流體的質量是一個不隨時間、空間溫度、壓力的變化而變化的量。如前所述，常用的流量計中，如孔板流量計、層流質量流量計、渦輪流量計、渦街流量計、電磁流量計、轉子流量計、超音波流量計和橢圓齒輪流量計等的流量測量值是流體的體積流量。在科學研究、生產過程控制、質量管理、經濟核算和貿易交接等活動中所涉及的流體量一般多為質量。採用上述流量計僅僅測得流體的體積流量往往不能滿足人們的要求，通常還需要設法獲得流體的質量流量。以前只能在測量流體的溫度、壓力、密度和體積等參數後，通過修正、換算和補償等方法間接地得到流體的質量。這種測量方法，中間環節多，質量流量測量的準確度難以得到保證和提高。隨著現代科學技術的發展，相繼出現了一些直接測量質量流量的計量方法和裝置，從而推動了流量測量技術的進步。

基本介紹

• 中文名：質量流量計
• 外文名：Mass flowmeter
• 測量原理：層流感測器
• 主要特點：適用多種介質
• 分類：直接式 間接式
• 主要參數：質量流量精度  回響速度

簡單介紹

流體在旋轉的管內流動時會對管壁產生一個力，它是科里奧利在1832年研究輪機時發現的，簡稱科氏力。在1977年由美國高準(Micro Motion)公司的創始人根據此原理研發出世界上第一台可以實際使用的質量流量計。質量流量計以科氏力為基礎，在感測器內部有兩根平行的流量管，中部裝有驅動線圈，兩端裝有檢測線圈，變送器提供的激勵電壓加到驅動線圈上時，振動管作往復周期振動，工業過程的流體介質流經感測器的振動管，就會在振管上產生科氏力效應，使兩根振管扭轉振動，安裝在振管兩端的檢測線圈將產生相位不同的兩組信號，這兩個信號的相位差與流經感測器的流體質量流量成比例關係。計算機解算出流經振管的質量流量。不同的介質流經感測器時，振管的主振頻率不同，據此解算出介質密度。安裝在感測器器振管上的鉑電阻可間接測量介質的溫度。

質量流量計

質量流量計直接測量通過流量計的介質的質量流量，還可測量介質的密度及間接測量介質的溫度。由於變送器是以單片機為核心的智慧型儀表，因此可根據上述三個基本量而導出十幾種參數供用戶使用。質量流量計組態靈活，功能強大,性能價格比高，是新一代流量儀表。

測量管道內質量流量的流量測量儀表。在被測流體處於壓力、溫度等參數變化很大的條件下，若僅測量體積流量，則會因為流體密度的變化帶來很大的測量誤差。在容積式和差壓式流量計中，被測流體的密度可能變化30%，這會使流量產生30～40%的誤差。隨著自動化水平的提高，許多生產過程都對流量測量提出了新的要求。化學反應過程是受原料的質量(而不是體積)控制的。蒸氣、空氣流的加熱、冷卻效應也是與質量流量成比例的。產品質量的嚴格控制、精確的成本核算、飛機和飛彈的燃料量控制，也都需要精確的。因此質量流量計是一種重要的流量測量儀表。

測量原理

質量流量計是採用感熱式測量，通過分體分子帶走的分子質量多少從而來測量流量，因為是用感熱式測量，所以不會因為氣體溫度、壓力的變化從而影響到測量的結果 。質量流量計是一個較為準確、快速、可靠、高效、穩定、靈活的流量測量儀表，在石油加工、化工等領域將得到更加廣泛的套用，相信將在推動流量測量上顯示出巨大的潛力。質量流量計是不能控制流量的，它只能檢測液體或者氣體的質量流量，通過模擬電壓、電流或者串列通訊輸出流量值。但是，質量流量控制器，是可以檢測同時又可以進行控制的儀表。質量流量控制器本身除了測量部分，還帶有一個電磁調節閥或者壓電閥，這樣質量流量控制本身構成一個閉環系統，用於控制流體的質量流量。質量流量控制器的設定值可以通過模擬電壓、模擬電流，或者計算機、PLC提供。

主要特點

1. 適用多種介質

2. 測量準確度高

3. 無直管段要求

4. 可靠性好

5. 維修率低

6. 具有核心處理器

主要分類

質量流量計可分為兩類：一類是直接式，即直接輸出質量流量；另一類為間接式或推導式，如套用超聲流量計和密度計組合，對它們的輸出再進行乘法運算以得出質量流量。

質量流量計

直接式

直接式質量流量計有多種類型，如量熱式、角動量式、陀螺式和雙葉輪式等。這種儀表適於測量小流量氣體，缺點是惰性大，測量值與氣體的定壓比熱有關，測量元件與介質接觸，易被沾污和腐蝕。 為雙孔板差壓式質量流量計。在管道A、B處安裝兩個相同的孔板。在分流管道中裝有兩個相同的可產生方向相反的恆定體積流量q的定流量泵。兩孔板前後壓力差△P=P1-P3=4KρQq，與ρ、Q成正比。式中K為常係數，ρ為密度，Q為管道體積流量，ρQ即為質量流量。雙葉輪式質量流量計是在同一直線上前後安裝兩個傾角分別為x1和x2的葉輪，兩葉輪之間利用扭簧連線，流體通過時，兩葉輪之間產生一個偏移角x，那么兩葉輪間力矩差△M與質量流量Qm，流速u，傾角x1，x2存在△M=Qm*u*(k1*tgx1-k2*tgx2)的關係（k1和k2為葉片結構尺寸常數），△M=k3*u*Qm，(k3=k1*tgx1-k2*tgx2).偏移角x=k4*△M=k4*k3*Qm*u;而葉輪組旋轉速度U與流體的流速成正比，U=k6*u，則整個葉輪組轉過兩葉輪偏角x所需的時間△t=x/U=k7*Qm.通過專用計數器測量出△t便能得出質量流量Qm。

間接式

間接式質量流量計有 3種主要型式:速度式流量計與密度計的組合，節流式（或靶式）流量計與容積式流量計的組合，節流式（或靶式）流量計與密度計組合。

還有一種根據流體的工作壓力、溫度將容積流量計的測量值換算成標準狀態下的容積流量。但是，當介質的種類或成分改變時，它不能給出準確的質量流量。嚴格說來，它不屬於質量流量計。 輸出密度、比重、體積流量、質量流量、質量能量流量等，兼有指示、模擬量輸出、列印、越限報警、儀器故障報警等多種功能。

熱式

熱式質量流量計的基本原理是利用外部熱源對管道內的被測流體加熱，熱能隨流體一起流動，通過測量因流體流動而造成的熱量（溫度）變化來反映出流體的質量流量。

當流體成分確定時，流體的定壓比熱為已知常數。因此由上式可知，若保持加熱功率恆定，則測出溫差便可求出質量流量；若採用恆定溫差法，即保持兩點溫差不變，則通過測量加熱的功率也可以求出質量流量。由於恆定溫差法較為簡單、易實現，所以實際套用較多。這種流量計多用於較大氣體流量的測量。

為避免測溫和加熱元件因與被測流體直接接觸而被流體玷污和腐蝕，可採用非接觸式測量方法，即將加熱器和測溫元件安裝在薄壁管外部，而流體由薄壁管內部通過。非接觸式測量方法，適用於小口徑管道的微小流量測量。當用於大流量測量時，可採用分流的方法，即僅測量分流部分流量，再求得總流量，以擴大量程範圍。

差壓式

差壓式質量流量計是以馬格努斯效應為基礎的流量計，實際套用中利用孔板和定量泵組合實現質量流量測量。常見的有雙孔板和四孔板與定量泵組合兩種結構。

雙孔板結構形式如圖6所示，在主管道上安裝結構和尺寸完全相同的兩個孔板A和B，在分流管道上裝置兩個流向相反、流量固定為的定量泵，差壓計連線在孔板A入口和孔板B出口處。

科里奧利

科里奧利質量流量計（簡稱科氏力流量計）是一種利用流體在振動管中流動而產生與質量流量成正比的科里奧利力的原理來直接測量質量流量的儀表。

科氏力流量計結構有多種形式，一般由振動管與轉換器組成。振動管（測量管道）是敏感器件，有U形、Ω形、環形、直管形及螺旋形等幾種形狀，也有用雙管等方式，但基本原理相同。下面以U形管式的質量流量計為例介紹。

技術指標

主要參數

質量流量精度: ±0.002×流量±零點漂移

密度測量精度: ±0.003g/cm3

密度測量範圍: 0.5~1.5g/cm3

溫度測量精度: ±1°C

感測器

環境溫度: －40~60°C

介質溫度: －50~200°C

防爆類型: iBⅡBT3

關聯設備: 配套變送器

變送器

工作溫度: 0~60°C

相對濕度: 95%以下

電 源: 220±10%VAC,50Hz或24±5%VDC,40W

圖1為量熱式質量流量計。當流體靜止時，熱源兩端對稱放置的溫差電偶指示溫度相等。 常用的旁通管式質量流量計把管路用細管分成無數小型管路，再把其中一個管路引出來，把感測器置於旁通管外，此方法測量元件與介質隔開，但是回響速度和精度稍低，通過加工技術的進步，流量計的精度和重複性都有了很高的進步。

圖3

圖2為雙孔板差壓式質量流量計。在管道A、B處安裝兩個相同的孔板。在分流管道中裝有兩個相同的可產生方向相反的恆定體積流量q的定流量泵。兩孔板前後壓力差△P=P1-P3=4KρQq，與ρ、Q成正比。式中K為常係數，ρ為密度，Q為管道體積流量，ρQ即為質量流量。

圖3為雙葉輪式質量流量計。在殼體內同軸地安裝兩個葉片角不等的葉輪，中間用彈簧連成一體。兩輪受到的轉矩之差,使彈簧扭轉角α。 α與質量流量M 和角頻率&owega;之積成比例,即α ∝M&owega;。測出角位移 α所需的時間 , 即可測出M 值。測量的方法是：在殼體上裝兩個電磁檢測器，當第一個渦輪產生脈衝時,開始計數。第二個渦輪產生脈衝時,停止計數。根據計數器的標準頻率測出時間t，進而求出M 值。

間接式質量流量計 　間接式質量流量計有 3種主要型式:速度式流量計與密度計的組合,節流式（或靶式）流量計與容積式流量計的組合，節流式（或靶式）流量計與密度計組合。

帶微型機的質量流量測量儀表又稱為質量流量計算機，是一種通用性的新型流量測量儀表。它可以輸入流體的密度、流量(渦輪流量計、節流流量計)、比重、溫度、壓力、熱量等信號。

故障處理

硬體故障

若出現誤差偏大，積算器顯示不亮或不增值，顯示器空白位等現象，其原因：

a.安裝不規範，可直接導致流量計零漂，如質量流量計安裝在泵出口處較近，感測器支撐強度不夠，連線法蘭焊接不當產生應力信號，電纜受電磁干擾。

b.接線問題

若出現顯示器不亮現象，應檢查積算器電源連線，若出現保險絲被燒，應確認輸入電壓與標準電壓標稱值，交直流形式是否一致。又若出現積算器不隨流量增加時，應檢查積算器接線，若積算器裝有正/反向程式，應檢查流量計接線，因流量計接線不正確，會使積算器在反向流時不遞增。

c.工藝介質變化

若測量介質出現夾氣，氣化或兩相流等現象，變送器會出現報警顯示，嚴重時，感測器停止工作。

d.變送器失效。

e.感測器失效。

f.管道吹掃問題。

軟體問題

質量流量計故障處理——對於剛校驗完的流量計安裝使用前一定要注意在當前工況下的零點校驗，必須保證流量計中充滿介質後關閉兩端截止閥才能零點標定，具體的方法有很多種，面板操作、手操器以及使用prolinkⅡ軟體。

a.零點校準有誤。

b.參數設定有誤。

c.電源的脈衝波動。

d.i/o組態有誤(一定要注意量程)。

e.操作有誤