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／m 3 ;
A----流體的流通截面(一般為管道的流通截面), m 2 ;
----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。現(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 W 驅(qū)動主動輪. 設(shè)流體的等效旋轉(zhuǎn)半徑

為l W ，則流體的平均流速 W 。若流體的質(zhì)量為m，則動量矩J＝m W = Q 。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 T系定值, 故測量 A 即可反映質(zhì)量流量M＝ A

。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 D ，設(shè)一物體由旋轉(zhuǎn)中心沿圓盤半徑以速度 S 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 S 和物體的徑向速度 g . 設(shè)科氏力以f c 表承，則其

表達(dá)式為
(10—3)
式中 m——運動物體的質(zhì)量；
v ——物體在轉(zhuǎn)動參照系中的運動速度；
w ——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 v 和轉(zhuǎn)動角速度 w 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 v 一定時，科氏力f c 正比于物體的質(zhì)

量與速度之積m w ，這正是利用科里奧利力測量質(zhì)量流量的原始的理論依據(jù)

。在流量測量中，使被則流體以某流速 w 流過以 q 角速度轉(zhuǎn)動的可動管件，

以達(dá)到 a 與 s 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 w 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 a ，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；
m ——被訓(xùn)流體沉迪，m／q
v ——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
f c = 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 常數(shù)，設(shè)k＝1 ，則
M=kf c (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 a , 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f c 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。科氏力的作用造成測量管變形。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 k 之間酌關(guān)系是
(10--10)
式中 P——加熱器的功率；
J-----熱功當(dāng)量；
C p ------被測流體的定壓比熱；
d ——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--100cm 3 ／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。