6-7超聲波流量計(jì)

測(cè)量原理

包括傳播速度差法聲循環(huán)法時(shí)間差法多普勒法

種類(lèi)能動(dòng)或被動(dòng)測(cè)量原理(利用的現(xiàn)象)檢測(cè)量測(cè)量方法簡(jiǎn)稱(chēng)備注流量計(jì)種類(lèi)

超聲波流量計(jì)

能動(dòng)型傳播速度的變化(順流、逆流)相位差時(shí)間差頻率差傳播速度差法相位差法時(shí)間差法聲循環(huán)法應(yīng)用最廣泛

上水道用上水道用射束位移接收波的感度差射束位移法

多普勒效應(yīng)漂移頻率多普勒法下水、排水用被動(dòng)型流動(dòng)產(chǎn)生的聲音聲音的大小聽(tīng)音法與頻率有關(guān)傳感器P-B水槽渦街流量計(jì)相關(guān)式流量計(jì)節(jié)流水位上升卡門(mén)渦紊流水位透過(guò)波的振幅振幅、相位

下水、排水用，也可檢測(cè)透過(guò)時(shí)間6-7-2，傳播速度差法

將流體流動(dòng)時(shí)與靜止時(shí)超聲波在流體中傳播的情形進(jìn)行比較，由于流速不同會(huì)使超聲波的傳播速度發(fā)生變化。

圖6-12超聲波傳播速度差法的原理圖，液體中超聲波的傳播速度是靜止液體中聲波傳播速度C和流體速度V的矢量和

相位差法

相位差法，就是測(cè)量順、逆兩個(gè)方向接受波的相位差，而時(shí)間差和的關(guān)系為：

相位差法和時(shí)間差法的原理可以看成是一樣的。

超聲波的頻率

C=constant?影響流體中聲速C的因素溫度圖6-13，水中聲音速度是水溫的函數(shù)，其溫度系數(shù)隨溫度不同而異

影響流體中聲速C的因素（續(xù)）水溫T（C）含鹽量S（o）水深D（米）（米）聲循環(huán)法的原理

首先從發(fā)生器T1沿順流方向發(fā)射超聲波脈沖，在接收器R1處接收這個(gè)信號(hào)。再在放大器-1處把此接受信號(hào)進(jìn)行放大，把輸出信號(hào)加到發(fā)生器T1，從T1再次發(fā)射超聲波脈沖，以后重復(fù)進(jìn)行。

正向循環(huán)頻率反向循環(huán)頻率兩個(gè)聲循環(huán)頻率之差，取此差為，

與聲速C無(wú)關(guān)。由于頻率差非常小，檢測(cè)困難6-7-2-2相位差法

相位差法本質(zhì)上和時(shí)間差法是相同的

Ft超聲波頻率，D管道直徑由于相位差和頻率成正比，頻率愈高則測(cè)量的靈敏度也高?？墒菓?yīng)該看到，頻率提高時(shí)，可能測(cè)量的最大速度值也就降低了，因此必須適當(dāng)選取頻率值。按圖6-11所示的方式使用連續(xù)波時(shí)，有可能產(chǎn)生兩個(gè)測(cè)量系統(tǒng)間的相互干擾，為了避免這點(diǎn)，提出了把一組超聲波發(fā)射接收器進(jìn)行周期性轉(zhuǎn)換的方案[19]，也提出更簡(jiǎn)單的，不進(jìn)行轉(zhuǎn)換的，同時(shí)進(jìn)行發(fā)射接收的方案

6-7-2-3聲循環(huán)法應(yīng)用

可與被測(cè)液體中的聲速無(wú)關(guān)地測(cè)量流速，現(xiàn)在作為大口徑管道用的流量計(jì)已經(jīng)得到最廣泛的應(yīng)用。

圖6-14，麥克遜流量計(jì)方框圖（附有質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量回路）

聲循環(huán)回路（SingAroundLoop）

構(gòu)成順、逆兩個(gè)方向的聲循環(huán)回路來(lái)進(jìn)行的。這種場(chǎng)合，脈沖經(jīng)回路一圈的時(shí)間叫做聲循環(huán)周期，其倒數(shù)叫做聲循環(huán)頻率。

兩者的差頻為

二組方式

一組轉(zhuǎn)換方式

圖6-15，用聲循環(huán)法的超聲波流量計(jì)方框圖

超聲波收發(fā)器P1裝在管道的外壁上，使超聲波射束斜著經(jīng)過(guò)液體中傳播，在被測(cè)液體是水的場(chǎng)合，振蕩器用0.4兆赫或1兆赫的鋯鈦酸鉛陶瓷（PZT），并使用超聲波入射角為40的膠木材料作為塑料楔。在這個(gè)楔子和管道的交界面上超聲波射束發(fā)生者射，同時(shí)產(chǎn)生影響波形變換，在管材為鋼、鑄鐵等鐵系材料時(shí)，產(chǎn)生從縱波到橫波的變換。這里特意使用橫波的利用在于，超聲波在水中的透過(guò)率，橫波比縱波高，而且橫波在水中的折射角也能取得大些。向此水中的折射角大約為23，可以把超聲波收發(fā)器P2設(shè)置在對(duì)面管壁的一個(gè)位置上，在該位置可以有效地接收從該角度發(fā)射的超聲波。兩個(gè)超聲波收發(fā)器希望制造得完全相同，因而具有相同的特性，它們既起超聲波發(fā)生器又起超聲波接收器的作用。交替轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用來(lái)轉(zhuǎn)換超聲波的發(fā)射方向，一定時(shí)間使超聲波沿順流方向發(fā)射，再經(jīng)過(guò)同一時(shí)間間隔沿逆流方向發(fā)射，時(shí)間圖如圖6-16所示。

圖6-16，時(shí)間圖(u)與加減運(yùn)算指令一致，對(duì)每個(gè)(v)信號(hào)得到流速測(cè)量值，作為輸出信號(hào)傳送出去

為固定延遲時(shí)間，即：超聲波經(jīng)過(guò)塑料楔、管壁和襯材傳播所需要的時(shí)間以及電信號(hào)滯后時(shí)間之和。

順逆流動(dòng)與聲波夾角管道直徑6-7-2-4時(shí)間差法

用時(shí)間差法測(cè)量流速、流量，在初期是用模擬技術(shù)進(jìn)行的。近年來(lái)，由于數(shù)字式技術(shù)的進(jìn)步可以精密測(cè)量微小時(shí)間，因此，在順、逆兩方向同時(shí)發(fā)射脈沖，把這些接收波前沿的時(shí)間差用數(shù)字方式進(jìn)行測(cè)量（LEFlowmeter，LE流量計(jì)）等的文獻(xiàn)發(fā)表了[39]，并以實(shí)用化為目標(biāo)進(jìn)行了種種試驗(yàn)。

典型例子是在進(jìn)行醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用脈沖時(shí)間法測(cè)量經(jīng)血管內(nèi)的血液流速[10]。在這種實(shí)驗(yàn)中，把兩個(gè)傳感器和血管相連接，使用3兆赫的小型鈦酸鋇陶瓷振蕩器用高速交替變換的一組轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行超聲波的收發(fā)，在測(cè)量1厘米/秒以下到1米/秒以上的流速時(shí)線性很好。測(cè)量范圍的界限取決于飄移和噪聲，據(jù)報(bào)道四小時(shí)以?xún)?nèi)在0.5厘米以下。6-7-2-5流量測(cè)量

管內(nèi)流速分布的影響

傳播速度差法從原理上看是測(cè)量超聲波傳播途徑上的平均流速，因此，該測(cè)量值是線平均。所以，它和一般的面平均（真平均流速）不同，其差異取決于流速的分布。

圖6-22，流量修正系數(shù)和雷諾數(shù)的關(guān)系

流速測(cè)量方法

圖6-24，小口徑管道用超聲波流量計(jì)的測(cè)量管示例

流量計(jì)的安裝

圖6-26，方形暗渠的流量測(cè)量示例

方形水渠內(nèi)充滿(mǎn)著水，因此即使用一條測(cè)量線進(jìn)行測(cè)量也可得到較好的精度。這種水渠一般以混凝土制的居多，但是，由于混凝土使超聲波超聲波傳播的損耗大，因此在相應(yīng)于超聲波傳播途徑部分使用不銹鋼鋼板。并在探測(cè)器的對(duì)面的壁上安裝上反射板，采用所謂V法一避免流動(dòng)偏離管道對(duì)稱(chēng)軸所產(chǎn)生的偏流的影響。

圖6-27，明渠溝流量測(cè)量法

水位變動(dòng)不大的情況下，把探頭（超聲波收發(fā)器）固定在能給出平均流速的水深附近（離水面距離為水深60%位置），測(cè)量該位置（測(cè)量線）的速度[49]。另一方面，預(yù)先用實(shí)驗(yàn)方法求出取決于水位變化的平均流速和測(cè)量流速之比，把這個(gè)值通過(guò)線性插入法來(lái)修正測(cè)量流速，通常將其作為真平均流速（流量/水流截面之值）輸出；將此值與由測(cè)量水位得到的水流截面相乘，以此乘積作為流量由流量運(yùn)算器輸出。

6-7-3多普勒法

由單個(gè)粒子引起的多普勒頻移

若傳播超聲波的介質(zhì)中存在著一個(gè)單個(gè)的粒子，則它和周?chē)慕橘|(zhì)流動(dòng)的規(guī)律一樣，以和介質(zhì)相同的速度V運(yùn)動(dòng)。假如給定超聲波收發(fā)器T、R，把發(fā)射頻率取為ft，則由于粒子的漫反射，進(jìn)入超聲波接收器的接收頻率為fr，靜止介質(zhì)中的聲速若取為C，則fr可以表示為：

聲波與流動(dòng)方向夾角多普勒頻移fD與流速V成正比。

如果有：則頻移多個(gè)粒子的功率譜線

圖6-28，零交叉方式的多普勒流量計(jì)方框圖

是考慮到照射域內(nèi)的粒子集合的場(chǎng)合下的功率譜線密度

超聲波流量測(cè)量小節(jié)超聲波流量計(jì)有各種形式，從精度上看順序?yàn)閭鞑ニ俣炔罘ā⒍嗥绽辗?、?tīng)音法適用于輔助測(cè)量或開(kāi)關(guān)的監(jiān)視。典型的傳播速度差法有聲循環(huán)法和時(shí)間差法，它們都得到了廣泛的應(yīng)用，當(dāng)在用于含有很多氣泡或懸濁物的液體時(shí)存在著穩(wěn)定度的問(wèn)題。在這樣的場(chǎng)合用多普勒法有利，可以用來(lái)測(cè)量下水、排水、泥水等。不妨礙流動(dòng)、無(wú)壓力損失的情況下進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果受速度分布和安裝影響。超聲波流量計(jì)的使用與液體的種類(lèi)和特性無(wú)關(guān)，可以測(cè)量氣體，特別是在大流量測(cè)量時(shí)其優(yōu)點(diǎn)非常顯著。從管道外壁可以測(cè)量管內(nèi)流動(dòng)液體的流量也是其它方法所沒(méi)有的特點(diǎn)之一。

6-8質(zhì)量流量計(jì)

隨著溫度、壓力的變化，流體的密度會(huì)發(fā)生變化，在溫度、壓力變化大的流體中，往往是達(dá)不到測(cè)體積流量的目的。

若要測(cè)體積流量，就必須同時(shí)測(cè)出流體的溫度和壓力。在溫度和壓力變化的流體中，應(yīng)把所測(cè)的流量值換算成某標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的相應(yīng)值，從而研究流量變化的狀況。但實(shí)際上溫度、壓力劇烈變動(dòng)時(shí)，每次測(cè)量中都要換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的值是很費(fèi)事的，幾乎是不可能的，這樣，便希望用質(zhì)量流量計(jì)來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量。

質(zhì)量流量計(jì)分類(lèi)

直接檢測(cè)與質(zhì)量成比例的量，這是直接型質(zhì)量流量計(jì)。

用體積流量計(jì)和密度計(jì)組合的儀器來(lái)測(cè)量質(zhì)量流量，這是間接型質(zhì)量流量計(jì)。

還有一種儀器與使用質(zhì)量流量計(jì)目的相同，也是測(cè)流量的方式，它是檢測(cè)出管道內(nèi)流動(dòng)的流體的溫度和壓力后再與體積流量計(jì)組合起來(lái)，自動(dòng)換算成預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量或質(zhì)量流量的方式。這種儀器就是溫度-壓力自動(dòng)補(bǔ)償流量計(jì)。當(dāng)管道中流動(dòng)的流體的組成改變從而密度變化時(shí)，這種儀器就不能正確測(cè)量質(zhì)量流量，所以她不是真正的質(zhì)量流量計(jì)

6-8-1直接型質(zhì)量流量計(jì)

量熱式質(zhì)量流量計(jì)：在流動(dòng)的氣體中安裝電加熱絲，在其上流處和下流處放置溫度檢測(cè)器，氣體通過(guò)電熱部分被加熱，通過(guò)測(cè)出所產(chǎn)生的溫度變化來(lái)求流量，這就是量熱式流量計(jì)的測(cè)量原理

令流動(dòng)氣體的質(zhì)量流量為G，氣體的定壓比熱為CP，上流和下流兩側(cè)氣體的溫差為，加熱電功率為E，熱功當(dāng)量為J，則下列關(guān)系式成立：

（6-8-1）

如果流動(dòng)氣體的比熱是恒定的，則氣體的質(zhì)量流量與加熱電功率成正比，與溫度差成反比。利用此關(guān)系就可以測(cè)量質(zhì)量流量

對(duì)于空氣、氮?dú)涞葰怏w，即使溫度和壓力都改變，其定壓比熱也幾乎是恒定的，故上式的關(guān)系近似地成立。但對(duì)混合氣體來(lái)說(shuō)，隨著組分的變化，比熱往外也發(fā)生很大的變化，因而上式不能成立。這樣的流量計(jì)不能叫真正的質(zhì)量流量計(jì)。

在量熱式質(zhì)量計(jì)中也有所謂即使流體組分和狀態(tài)變化也不受影響的，例如有邊界層質(zhì)量流量計(jì)（boundarylayermassflowmeter）等。據(jù)說(shuō)它不僅能用于測(cè)氣體，也能用于測(cè)液體，但嚴(yán)格地說(shuō)，它會(huì)受到流體的比熱、導(dǎo)熱率或粘度等方面的影響，這種流量計(jì)雖比過(guò)去的量熱式流量計(jì)有所改進(jìn)，但原理上卻是相同的流量計(jì)。

差壓式質(zhì)量流量計(jì)差壓式質(zhì)量流量計(jì)圖6-8-1，有分流管的孔板計(jì)

圖6-8-2，兩孔板方式的差壓式質(zhì)量流量計(jì)

在官道中安裝孔板，在孔板的上流和下流兩側(cè)設(shè)置分流管，在此分流管的途中設(shè)置定量流泵，使一定流量q的循環(huán)流流過(guò)。讓我們研究此時(shí)孔板前后的壓力差。

圖6-8-1中是其配管圖，先討論朝圖上箭頭方向流過(guò)一定流量q時(shí)的情況。在從孔板的下流一側(cè)到上流一側(cè)通過(guò)分流管有體積流量為q的流動(dòng)時(shí)，則在主流管道中，除了體積流量Q按箭頭所指的方向流動(dòng)外，還加上固定的循環(huán)流q，所以，通過(guò)孔板流動(dòng)的流體的體積流量應(yīng)為Q+q。在此情況下通過(guò)孔板前后產(chǎn)生的壓力差為，與孔板流量計(jì)測(cè)量原理相同，可表為

討論循環(huán)流反向流動(dòng)的情況，也就是從孔板的確上流側(cè)流向下流側(cè)、并通過(guò)分流管產(chǎn)生體積流量q的流動(dòng)情況。在此情況下，主流管道中流動(dòng)的體積流量的確一部分通過(guò)分流管流動(dòng)，因?yàn)樵诜至鞴芰鲃?dòng)的體積流量為q，則有通過(guò)孔板流動(dòng)的流體的體積流量應(yīng)為（Q-q）。在此情況下通過(guò)孔板前后產(chǎn)生的壓力差，與前相同，為

在主流管道上安裝構(gòu)造和尺寸都完全相同的兩個(gè)孔板A，B。從主流管道的上流側(cè)流入體積流量Q一直流到下流側(cè)。但在中途，流過(guò)每個(gè)孔的流動(dòng)上都并聯(lián)分流管道，在分流管道中都安裝定流量泵，使其產(chǎn)生方向相反的恒定流量q的循環(huán)流。因此，通過(guò)各個(gè)孔板的流量Q不相等，通過(guò)孔板A的流量為（Q-q），通過(guò)孔板B的體積流量為（Q+q）。

則孔板A、B前后產(chǎn)生的壓力的差就與主流管道中流體的質(zhì)量流量成正比。

西蒙茲（Simmonds）質(zhì)量流量計(jì)是把循環(huán)流的流量q設(shè)計(jì)得比主流管道流量的最大值還要大。所以通過(guò)孔板A的流動(dòng)與通過(guò)孔板B的流動(dòng)的方向相反。因此，若令孔板A的上流側(cè)壓力為P1，下流側(cè)的壓力為P2（孔板B的上流側(cè)壓力），則P2>P1圖6-8-3，兩孔板式的差壓式質(zhì)量流量計(jì)試驗(yàn)結(jié)果圖6-8-4，四孔板式的差壓式質(zhì)量流量計(jì)

測(cè)量比重為0.74的汽油和比重為1.54的四氯化碳的質(zhì)量流量的結(jié)果

密度變化不影響結(jié)果為了使Q<q，所以當(dāng)應(yīng)測(cè)量的主流管道的流量Q變大時(shí)，定流量泵的容量就要加大，而且要用兩臺(tái)泵，從而將它改進(jìn)為四個(gè)孔板的方式，其原理結(jié)構(gòu)

這種形式與惠斯登電橋的構(gòu)造相同，從主流管道流入的流量分成兩路，每個(gè)分流管道如圖所示，分別安裝了孔板A、B和C、D。而且在這兩分流管的中點(diǎn)由安裝定流量泵的管道使他們相互連接起來(lái)，四個(gè)孔板的構(gòu)造、尺寸是相同的，由定流量泵按箭頭方向送入恒定流量q的流體。

如果通過(guò)孔板A的體積流量為I，此時(shí)通過(guò)孔板A前后的壓力差為，可得下列關(guān)系式：

同樣，對(duì)孔板B，因?yàn)榱髁繛镼-I，所以壓差為

孔板C的流量為Q+I，壓差

孔板D的流量為Q-I-q，壓差為6-8-2Li-Lee質(zhì)量流量計(jì)

測(cè)量科里奧利力的質(zhì)量流量計(jì)

圖6-8-5，Li-Lee質(zhì)量流量計(jì)原理

管道以O(shè)點(diǎn)為中心，以恒定角速度旋轉(zhuǎn)，流體通過(guò)管道從中心O向外邊流動(dòng)。若從O點(diǎn)測(cè)量，旋轉(zhuǎn)管道的長(zhǎng)為,管道的橫截面積為F，流動(dòng)流體的流速為，流體的密度為，科里奧利力加速度為a，則有

a=2wv在距離中心O為r處體積為（Fdr），的流體要產(chǎn)生加速度a所需的力矩dTr，則dTr可表為：

因此在旋轉(zhuǎn)通道中的總流體，要產(chǎn)生加速度所必需的力矩T為

圖6-8-6，Li-Lee質(zhì)量流量計(jì)構(gòu)造

實(shí)際試制的這類(lèi)質(zhì)量流量計(jì)的內(nèi)部構(gòu)造如圖6-8-6所示，流量計(jì)本體的流入部分和流出部分用旋轉(zhuǎn)密封套與主管道連接，并以此旋轉(zhuǎn)密封部分作為旋轉(zhuǎn)軸承，測(cè)量?jī)x器本體是用同步驅(qū)動(dòng)馬達(dá)以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)著。由流入口流入的流體通過(guò)旋轉(zhuǎn)管之后流進(jìn)直角彎管內(nèi)，然后再往流出口流去。此時(shí)，在轉(zhuǎn)矩管上受大上述力矩T的作用，產(chǎn)生與T成正比的扭轉(zhuǎn)便角，此偏角由電方法檢測(cè)再通過(guò)滑環(huán)送到外部。

此種質(zhì)量流量計(jì)，只是在實(shí)驗(yàn)室中試制，目前還未用做工業(yè)上的測(cè)量?jī)x器

6-8-3角動(dòng)量式質(zhì)量流量計(jì)

圖6-8-7，動(dòng)量式GE質(zhì)量流量計(jì)

測(cè)天然氣體等質(zhì)量流量的儀器

在流量計(jì)內(nèi)，把周?chē)_(kāi)有流動(dòng)孔的轉(zhuǎn)子及同它的構(gòu)造幾乎相同的定子安裝在同一軸上，在管道內(nèi)流動(dòng)的流體從轉(zhuǎn)子的流動(dòng)孔流到定子的流動(dòng)孔然后再?gòu)牧鞒隹诹鞒鋈ァＳ猛今R達(dá)使轉(zhuǎn)子以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)，這使流動(dòng)孔中流動(dòng)的流體隨之作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而定子不作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由轉(zhuǎn)子使其旋轉(zhuǎn)的流體流進(jìn)定子后，給它施加一個(gè)力矩，定子的任務(wù)就是檢測(cè)這個(gè)力矩的大小。

如果轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角速度為，在dt微小時(shí)間內(nèi)通過(guò)轉(zhuǎn)子流過(guò)的流體質(zhì)量為dM，dM流體對(duì)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸的慣性矩為dI，則質(zhì)量為dM的流體的角動(dòng)量dH為：

dH=dI若與dM流體的慣性矩有關(guān)的等價(jià)旋轉(zhuǎn)半徑r則：

當(dāng)具有這樣角動(dòng)量的流體流入定子時(shí)，就產(chǎn)生一個(gè)力矩T，根據(jù)牛頓第二定律可知，角動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化就是力矩，因而如果轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的角動(dòng)量全部作用在定子上面的話，則：

陀螺式流量累計(jì)器

圖6-8-8，陀螺

圖6-8-9，CE質(zhì)量流量計(jì)的誤差曲線

陀螺繞Z軸以角速度旋轉(zhuǎn)。當(dāng)給它施以一個(gè)相對(duì)Y軸的力矩時(shí)，陀螺又會(huì)繞X軸旋轉(zhuǎn)。繞X軸旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)叫進(jìn)動(dòng)。若陀螺繞Z軸旋轉(zhuǎn)的慣性力矩為,進(jìn)動(dòng)的角速度為，則有下列關(guān)系：

分母是常數(shù)I是流量計(jì)的指示讀數(shù)，G是正確的質(zhì)量流量值。

把最大流量作為100%時(shí)的流量比。

陀螺的進(jìn)動(dòng)角速度就與質(zhì)量流量成正比，若將此進(jìn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)累計(jì)起來(lái)的話，偏可求出通過(guò)流量計(jì)流體的質(zhì)量流量的累計(jì)值

6-8-4陀螺式質(zhì)量流量計(jì)

圖6-8-10，陀螺式質(zhì)量流量計(jì)原理

圓形管道內(nèi)流體繞Z軸慣性矩

流體質(zhì)量對(duì)Ｙ軸的力矩

繞Ｘ軸旋轉(zhuǎn)（即進(jìn)動(dòng)）

質(zhì)量流量圖6-8-11，陀螺式質(zhì)量流量計(jì)的配管

在這個(gè)圓形管道的入口處和出口處用旋轉(zhuǎn)密封套連接。它又接在柔軟的連接管上，將旋轉(zhuǎn)密封套這部分作為轉(zhuǎn)軸，而用馬達(dá)帶動(dòng)流量計(jì)本體以恒定的角速度旋轉(zhuǎn)。這種形式就是預(yù)先給出恒定角速度的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。因此，可以通過(guò)檢測(cè)因圓形管道中流動(dòng)流體的旋轉(zhuǎn)恒定角速度的進(jìn)動(dòng)所產(chǎn)生對(duì)Ｙ軸的力矩，求出質(zhì)量流量。

力矩是通過(guò)安裝在柔軟連接管上的電阻線應(yīng)變計(jì)將它引到外部而檢出的

6-8-5葉輪式質(zhì)量流量計(jì)

圖6-8-14，葉輪式質(zhì)量流量計(jì)內(nèi)部構(gòu)造

前后安裝兩個(gè)葉片角不同的葉輪用彈簧把它們連接起來(lái)形成一個(gè)整體

在葉片安裝成角的葉輪上受到質(zhì)量流量為G、流速為v的流體的碰撞，產(chǎn)生力矩T，根據(jù)流體動(dòng)量定律，T與（）成正比，這就是說(shuō)葉片安裝角度大的葉輪力矩就大。

兩個(gè)葉片的安裝角度不同，受到流動(dòng)流體作用的力矩就有差別，兩葉輪間的偏移角就是兩葉輪力矩之差與相連接彈簧的扭力矩平衡時(shí)的角度，兩葉輪作為一個(gè)整體保持此偏移角，以與流速v成正比的角度旋轉(zhuǎn)。若兩葉片安裝角度分別為1和2，此兩葉片受到的力矩分別為T(mén)1和T2，那么，因?yàn)閷?duì)兩個(gè)葉輪來(lái)說(shuō)質(zhì)量流量G和速度v都是相同的，所以可把他們的關(guān)系寫(xiě)為：

式中K1和K2，取決于流量計(jì)和葉輪形狀、尺寸的裝置常數(shù)。由上式可以求出兩葉輪力矩之差。

若力矩差使連接葉輪的彈簧產(chǎn)生扭矩。兩葉輪間的扭角，與力矩差成正比，故當(dāng)兩葉輪的形狀、尺寸和彈簧的彈性系數(shù)確定以后，和Gv成正比。此時(shí)若把該比例常數(shù)取做，則應(yīng)有關(guān)系：

由于葉輪是一個(gè)整體，此整體是以與流速v成正比的角速度旋轉(zhuǎn)

若葉輪旋轉(zhuǎn)偏角需要花費(fèi)的時(shí)間為t，則有

t=/

t=K5G

流量計(jì)內(nèi)的葉輪，在兩個(gè)葉輪間旋轉(zhuǎn)一個(gè)偏移角所需要的時(shí)間t是與管道中流動(dòng)流體的質(zhì)量流量G成正比的。因而只需要測(cè)量此時(shí)間t，就可求出質(zhì)量流量。

測(cè)量時(shí)間的方法是用分別安裝在葉輪上的信號(hào)發(fā)生器，使在檢波線圈中產(chǎn)生脈沖信號(hào)、通過(guò)計(jì)數(shù)該脈沖的時(shí)間來(lái)求出t。如圖6-8-14所示，由第一葉輪產(chǎn)生的脈沖使計(jì)數(shù)門(mén)打開(kāi)，開(kāi)始對(duì)從信號(hào)發(fā)生器送來(lái)的信號(hào)計(jì)數(shù)，由另一個(gè)葉輪產(chǎn)生的脈沖使計(jì)數(shù)門(mén)關(guān)閉，停止計(jì)數(shù)。根據(jù)此計(jì)數(shù)值可求出時(shí)間t。

6-8-6間接型質(zhì)量流量計(jì)

間接型質(zhì)量流量計(jì)是由直接型質(zhì)量流量計(jì)以外的流量計(jì)與密度計(jì)組合而成的，是采用運(yùn)算機(jī)構(gòu)間接測(cè)質(zhì)量流量的流量計(jì)，其形式可分為：1）檢測(cè)的流量計(jì)和密度計(jì)的組合方式2）檢測(cè)Q的流量計(jì)和密度計(jì)的組合方式3）檢測(cè)流量計(jì)和檢測(cè)Q流量計(jì)的組合方式其中，為流體密度、Q為體積流量。以下分別舉例說(shuō)明這三種形式。

6-8-6-1檢測(cè)的流量計(jì)和密度計(jì)的組合方式

能檢測(cè)管道中流動(dòng)流體的的流量計(jì)有節(jié)流流量計(jì)和動(dòng)壓流量計(jì)。把它們與密度計(jì)組合起來(lái)就成為能間接求出質(zhì)量流量的質(zhì)量流量計(jì)

運(yùn)算器流量計(jì)密度計(jì)xy圖6-8-15，檢測(cè)器與密度計(jì)組合的圖6-8-16，檢出動(dòng)量的流量計(jì)與密度計(jì)

質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)

組合成的質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造

密度的檢測(cè)

圖6-8-16，檢出動(dòng)量的流量計(jì)與密度計(jì)組合成的質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造

圖6-8-16即是后者之例。密度的檢測(cè)是用線密度計(jì)，它如圖所示，S形管道的流入處和流出處用波紋管等軟管與外部管道連接，此S形管道在其中心部分有個(gè)轉(zhuǎn)軸，使地可以在包含S形管道的面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。流入的流體在S形管道的端部彎管處方向變化90，因此產(chǎn)生對(duì)S形管軸的力矩，令為T(mén)1則：

（6-8-39）

是一個(gè)與流體在端部彎管改變90的方向產(chǎn)生的動(dòng)量變化而出現(xiàn)的力成正比的量。R1是伴隨著流體動(dòng)量變化產(chǎn)生的力的作用點(diǎn)與轉(zhuǎn)軸間的距離，即臂長(zhǎng)。

同樣，在流出處的彎管流動(dòng)也改變方向，產(chǎn)生力矩T2，故對(duì)轉(zhuǎn)軸的力矩T為：

R2是與流出處彎管有關(guān)的臂長(zhǎng)

只要流量計(jì)的構(gòu)造、尺寸一經(jīng)決定，R1和R2就是恒定的值，則T就與成正比。

力矩檢測(cè)機(jī)構(gòu)

S形管道受前述力矩T的作用而旋轉(zhuǎn)，通過(guò)角偏移檢測(cè)器將旋轉(zhuǎn)角度變成電壓，再由電壓驅(qū)使力矩馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)扭力軟管就起到了使S形管回復(fù)原來(lái)位置的作用。如果S形管回到原來(lái)的位置，則從角偏移檢測(cè)器輸出的確電壓為零，扭力馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。此時(shí)扭力馬達(dá)的軸的旋轉(zhuǎn)角與力矩成正比，從而由式（6-8-40)可知，它與成正比。再在連接扭力馬達(dá)的軸上安裝電位計(jì)A，就可得到與扭力馬達(dá)軸的轉(zhuǎn)角成正比的電壓E1。

圖6-8-17流體密度的檢測(cè)流體密度的檢測(cè)是象圖6-8-16所示的那樣，最好是能檢測(cè)出在力矩檢測(cè)器處的流體密度，故應(yīng)在S形管的中心處測(cè)量。線源有作為標(biāo)準(zhǔn)用的和檢測(cè)用的二個(gè)。檢測(cè)用的線透過(guò)旋轉(zhuǎn)楔板和流體之后送入線檢測(cè)部分。檢測(cè)用的和標(biāo)準(zhǔn)用的線交替地送入線檢測(cè)部分，為了使接受的線信號(hào)的強(qiáng)度相等，用自動(dòng)平衡裝置使楔板轉(zhuǎn)動(dòng)，它的旋轉(zhuǎn)角便移就與密度成正比。

在密度檢測(cè)器旋轉(zhuǎn)楔板的軸上，如圖6-8-18所示的那樣安裝電位計(jì)B，便可得到與楔板旋轉(zhuǎn)角成正比的電壓E2。從圖中可知E2和E1成正比，也與流體的密度成正比，所以：

如果求出了E2的平方根，就可求出，從而得到質(zhì)量流量。E2平方根的計(jì)算是由平方根運(yùn)算指示電位計(jì)C，D來(lái)進(jìn)行的。

圖6-8-18，質(zhì)量流量運(yùn)算回路

6-8-6-2Q檢測(cè)器和密度計(jì)的組合方式

能用來(lái)檢測(cè)管道中流動(dòng)流體的體積流量Q的儀器有容積流量計(jì)、電磁流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、葉輪流量計(jì)等。把這些流量計(jì)與檢測(cè)流體密度的密度計(jì)組合就可以測(cè)量質(zhì)量流量。

圖6-8-19，Q檢測(cè)器與密度計(jì)組合的質(zhì)量流量計(jì)的構(gòu)造由容積流量計(jì)和浮子式密度計(jì)組合的[12]、渦輪流量計(jì)和浮子式密度計(jì)組合的[13]、葉輪流量計(jì)和葉輪式密度計(jì)組合的[12]、電磁流量計(jì)和利用放射性同位素的密度計(jì)組合的[12]，超聲波流量計(jì)和音響阻抗式密度計(jì)組合的[14]質(zhì)量流量計(jì)

圖6-8-20，葉輪流量計(jì)的葉輪式密度計(jì)

檢測(cè)Q的儀器是葉輪流量計(jì)?？梢栽谝后w和氣體中應(yīng)用。它的構(gòu)造是利用流體流動(dòng)時(shí)在流量計(jì)的圓管形容器內(nèi)產(chǎn)生渦流，由此帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)的原理。如圖6-8-20(a)所示，在管道中插入使流體分成兩路的分流板，并裝上活瓣來(lái)調(diào)整

其中一路的流量，適當(dāng)改變活瓣的角度就可以調(diào)節(jié)葉輪旋轉(zhuǎn)角速度和體積流量間的關(guān)系。密度計(jì)也采用葉輪式。象（b）圖所示，把流經(jīng)管道的流體進(jìn)行分流，并把流體引入密度測(cè)量室，測(cè)量室有以恒定角速度旋轉(zhuǎn)的增壓葉輪（螺旋漿）。這樣由螺旋漿使流體產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其離心力使壓力增大，測(cè)出此增大的壓力就可以求出密度。在差壓檢測(cè)部分的一側(cè)導(dǎo)管中是流體的靜壓，另一側(cè)導(dǎo)管的壓力是在此靜壓上附加了由離心力引起的壓力。此差壓可以看成由離心力產(chǎn)生的壓力增加。若螺旋漿的旋轉(zhuǎn)角速度為，流體的密度為，則離心力與成正比，如是恒定的，則差壓和流體的密度成正比。這種得到質(zhì)量流量的方式是把流量檢測(cè)器和密度檢測(cè)器的信號(hào)變成電信號(hào)再用運(yùn)算回路求出此兩信號(hào)的乘積。

超聲波流量計(jì)和超聲波密度計(jì)組合的質(zhì)量流量計(jì)

在管道兩側(cè)的壁上相對(duì)地安裝一個(gè)超聲波發(fā)生器和兩個(gè)接收器。當(dāng)流體不流動(dòng)時(shí)，從發(fā)生器發(fā)射的超聲波被對(duì)面的兩個(gè)接受器接收，分別得到強(qiáng)度相同的信號(hào)。此時(shí)差動(dòng)放大器的輸出為零。當(dāng)流體在管道中以速度v流動(dòng)時(shí)，則超聲波傳播方向產(chǎn)生便移，如果管道直徑為D，超聲波在流體中的傳播速度為cs,那么在安裝接收器的那側(cè)管壁處超聲波的偏移距離L就可表示為：

在管壁上還安裝了一個(gè)與流體接觸的，檢測(cè)密度用的超聲波發(fā)生器，給它提供固定電壓使其產(chǎn)生共振振動(dòng)，檢測(cè)出它的輸出E2。那么E2應(yīng)與成正比，若求出E1和E2的乘積，則有：

只需測(cè)出E1，E2即可測(cè)出質(zhì)量流量。此種方式的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)檢測(cè)的流量受到cs的影響時(shí)，被檢測(cè)的密度也受到cs的影響，兩種影響恰好抵消，結(jié)果與無(wú)關(guān)。

6-8-6-3

檢測(cè)器和Q檢測(cè)器組合方式節(jié)流流量計(jì)那樣的檢測(cè)器和容積流量計(jì)及渦輪計(jì)那樣的Q檢測(cè)器組成的儀器可以求出質(zhì)量流量。

Qxyx/y運(yùn)算器6-8-6-4溫度-壓力自動(dòng)補(bǔ)償流量計(jì)

當(dāng)管道、流體的種類(lèi)確定以后，還有可以把檢測(cè)的流體的體積流量以及檢測(cè)的流體的溫度、壓力，自動(dòng)換算成質(zhì)量流量或換算成預(yù)先給定的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量的測(cè)量方法。檢測(cè)溫度、壓力比檢測(cè)密度容易，利用檢測(cè)溫度，壓力的檢測(cè)器與體積流量計(jì)的組合、自動(dòng)換算成質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量的流量計(jì)，即溫度、壓力自動(dòng)補(bǔ)償流量計(jì)，被廣泛使用了。

當(dāng)流過(guò)管道的流體種類(lèi)和組成改變時(shí)，這種形式的流量計(jì)測(cè)不出正確的流量，所以不能叫做真正的質(zhì)量流量計(jì)。

溫度-壓力自動(dòng)補(bǔ)償液體：忽略壓力引起的密度變化，僅考慮溫度引起的密度變化。因次，必須了解液體密度和溫度的關(guān)系。當(dāng)溫度變化范圍大時(shí)，溫度和密度的關(guān)系不能看成是線性，自動(dòng)補(bǔ)償復(fù)雜。

低壓氣體：利用理想氣體定律補(bǔ)償。高壓氣體：偏離理想氣體方程，考慮壓縮系數(shù)的變化，自動(dòng)補(bǔ)