4.9　质量流量计

质量流量计是以测量流体流过的质量为依据的流量检测仪表，测量精度不受流体的温度、压力、密度、黏度等变化影响。质量流量的测量方法分为直接法和间接法两类。直接法是直接测量质量流量，如科里奥利力式流量计、热分布式流量计、角动量式流量计等；间接法又称推导法，测出流体的体积流量以及密度（或温度和压力），经过运算求得质量流量，如压力温度补偿式质量流量计。

4.9.1　直接式质量流量计

（1）科里奥利流量计

①测量原理　基于流体在振动管中流动时将产生与质量流量成正比的科里奥利力。图1-4-44是一种U形管式科里奥利质量流量计（简称科氏流量计，CMF）测量原理的示意图。

U形管的两个开口端固定，流体由此流入和流出。在U形管顶端装有电磁装置，激发U形管以 O — O 为轴、按固有的自振频率振动，振动方向垂直于U形管所在平面。U形管内的流体沿管道流动的同时又随管道作垂直运动，此时流体会产生科里奥利加速度，并以科里奥利力反作用于U形管。由于流体在U形管的两侧的流动方向相反，因此作用于U形管两侧的科氏力大小相等、方向相反，于是形成作用力矩。U形管在该力矩的作用之下将发生扭曲，扭转的角度与通过流体的质量流量成正比。如果在U形管两侧中心平面处安装两个电磁传感器测出U形管扭转角度的大小，便可得到所测质量流量，其关系式为

式中， θ 为扭转角； K s 为扭转弹性系数； ω 为振动角速度； r 为U形管跨度半径。

其结构如图1-4-45所示。

1—支撑管；2—振动管；3，6—位置检测传感元件；4—电磁驱动器；5—外壳

②科氏流量计分类如表1-4-19所示。

③科氏流量计特点

a. 直接测量质量流量，不受流体物性（密度、黏度等）影响，测量精确度高；

b. 测量值不受管道内流场影响，无上、下游直管段长度的要求。

c. 可测量各种非牛顿流体以及黏滞的和含微粒的浆液。

d. 可进行多参数测量，如同时测量密度、溶液中溶质所含浓度。

e. 影响测量精确度因素较多，如零点漂移，管路振动，测量管路腐蚀与磨损、结垢等。

f. 不能用于低密度气体的测量，液体中含气量较大会影响测量值。

g. 阻力损失较大。

④科氏流量计选用

a. 厂家常用一种“基本误差加零点不稳定性”方式表示测量的精确性，此时如果使用于流量下限或较低流量，误差变大。

b. 仪表范围大，流量上限很高，相应的压损高。选用时应推算管路的泵送压力。

c. 一般科氏流量计仅适合测量液体。如测量气体，须明确工况条件。

d. 对被测液体的黏度适应性范围宽，从低黏度的液化石油气到高黏度原油和沥青液。适用于非牛顿流体和液固双相流体，如乳胶、悬浮高岭土液、巧克力、肉糜浆等。

e. 用于混相流测量时，气液混合物中气泡小且分布均匀，液固混合物中含少量固体杂质。

⑤科氏力流量计安装使用

a. 由于测量管形状和结构设计的差异，同一口径相近流量范围不同型号的流量计尺寸和重量差别较大。有的可以直接接到管道上，有的需要加支撑。

b. 应使测量管内充满液体，避免测量管内残留固形物、滞留气体等。一般应装于自下而上流动的垂直管道。

c. 科氏力流量计上下游设置截止阀，并保证无泄漏。控制阀应装在流量计下游，流量计保持尽可能高的静压，以防止发生汽蚀和闪蒸。

d. 设置相应的脉动衰减器。多台科氏力流量计串联或并行安装，测量管的振动引起相互干扰。

e. 定期监测、清洗测量管道，尤其是强磨蚀性浆液测量管。

f. 注意零点漂移和调零。调零必须在安装现场进行，流量传感器排尽气体，充满待测流体后关闭上下游阀门，接近工作温度的条件下调零。

（2）热式质量流量计

热式质量流量计（TMF）是利用传热检测流量的仪表，即根据流动中的流体与热源（流体中外加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系进行测量，分为热分布式和浸入式（或插入式）。

①热分布式质量流量计　这种流量计的加热及测温元件置于流体管道外，与被测流体不直接接触。热分布式质量流量计结构如图1-4-46所示。

1—测量导管；2—等温外壳；3，5—测温线圈；4—加热线圈；6—黄铜套；7—调零电阻；8—检流计

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，并作为测量电桥的两臂 R 1 、 R 2 。两测温线圈的中间缠绕着锰铜丝加热线圈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（约100Ω），因此测量电桥处于平衡状态。当气体流量流动时，气体将上游的部分热量带给下游，因而上游段温度下降，而下游段温度上升，破坏了加热器的温度场，根据两组线圈的平均温差Δ T 即可求得质量流量

式中， K 为与检测件形状有关的常数； c p 为气体的比定压热容。

②基于金氏定律（King’s Law）的浸入式热式质量流量计　如图1-4-47所示，两温度传感器（热电阻）分别置于两金属细管内，一根用于测量气体温度 T ，另一根由加热功率 P 加热至温度 T v 。当气体流过检测件时，该温度将随气流流速而变，这时加热功率 P 与温差Δ T = T v - T 以及气体质量满足关系

式中， D 为与实际流动有关的常数； E 为与所测气体物性如热导率、比热容、黏度等有关的系数； K 为常数，取值范围1/3～1/2。

③热式质量流量计特点

a. 热分布式质量流量计。直接测量质量流量无需温压补偿；非接触式，无活动部件，无阻流件，压力损失小，可靠性高；可测量低流速微小气体流量，最低5mL/min（标准状态）；要求气体介质干燥洁净，不含水分、油等杂质；分流型可获线性特性，可用于测量大、中气体流量，使用时应保证分流比恒定；动态响应慢，时间常数5s左右。

b. 金氏律热式质量流量计。直接测量质量流量无需温压补偿；无活动部件，可靠性高；适用于大口径、非圆截面管道、现场空间狭窄处测量（插入式）；检测件带不锈钢外壳的铂电阻传感器，对于气体中的粉尘、固体颗粒、油分、水分不敏感。插入式可以不断流取出维修更换，可用于测量脏污流体测量。

④热式质量流量计的选用

a. 针对小、微量气体流量，热分布式质量流量计可用于单一组分气体或固定比例的混合气体测量。

b. 大口径流量测量中可选用插入式金氏律热式质量流量计。

⑤热式质量流量计安装使用

a. 大部分热分布式的质量流量计可水平、垂直或倾斜安装，安装好后在工作条件（压力、温度）下进行电气零点调整，但有些仪表则对安装有要求，应按说明书进行；一般浸入式热式质量流量计性能不受安装方式影响，但低流速时应按说明书进行。

b. 带测量管的浸入式流量传感器和插入式仪表需要一定长度前置直管段，按厂家建议设置。

c. 插入式热式质量流量计的检测杆应固定于管道并避开振动场所。

d. 热式质量流量计响应时间长，不适用于脉冲流。

4.9.2　间接式质量流量计

间接法又称推导法，测出流体的体积流量以及密度（或温度和压力），经过运算求得质量流量。主要有压力温度补偿式质量流量计。

几种间接式质量流量计组合示意图如图1-4-48所示。