熱式質(zhì)量流量計原理及概述

1、熱式質(zhì)量流量計原理及概述2010-5-31 江蘇瑞特儀表有限公司 編輯：潘東升 熱式質(zhì)量流量計（以下簡稱tme）是利用傳熱原理，即流動中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測量管外加熱體）之間熱量交換關(guān)系來測量流量的儀表，過去我國習(xí)稱量熱式流量計。當(dāng)前主要用于測量氣體。 20世紀90年代初期，世界范圍tmf銷售金額約占流量儀表的8%，約4.5萬臺。國內(nèi)90年代中期銷售量估計每年1000臺左右。過去流程工業(yè)用儀表主要是熱分布式，近幾年才開發(fā)熱散（或冷卻）效應(yīng)式。 1. 原理和結(jié)構(gòu)熱式流量儀表用得最多有兩類，即1）利用流動流體傳遞熱量改變測量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計（thenmai

2、 prohie fiowmeter）曾稱量熱式tmf;2)利用熱消散（冷卻）效應(yīng)的金氏定律（king s iaw）tmf。又由于結(jié)構(gòu)上檢測元件伸入測量管內(nèi)，也稱浸入型（immersion type ）或侵入型（intrusion type）。有些在使用時從管外插入工藝管內(nèi)的儀表稱作插入式（insertion type）。1.1熱分布式tmf熱分布式tmf的工作原理如圖1所示，薄壁測量管3外壁繞著兩組兼作加熱器和檢測元件的繞組2，組成惠斯登電橋，由恒流電源5供給恒定熱量，通過線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱的傳遞可以看作熱傳導(dǎo)方式實現(xiàn)的。在流量為零時，測量管上的溫度分布

3、如圖下部虛線所示，相對于測量管中心的上下游是對稱的，由線圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)流體流動時，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實線所示，由電橋測出兩組線圈電阻值的變化，求得兩組線圈平均溫度差t。便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量qm，即 （1）式中 cp -被測氣體的定壓比熱容；a -測量管繞組（即加熱系統(tǒng)）與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；k -儀表常數(shù)。在總的熱傳導(dǎo)系數(shù)a中，因測量管壁很薄且具有相對較高熱導(dǎo)率，儀表制成后其值不變，因此a的變化可簡化認為主要是流體邊界層熱導(dǎo)率的變化。當(dāng)使用于某一特定范圍的流體時，則a、cp均視為常量，則質(zhì)量流量僅與繞組平均溫度差成正比，如圖2

4、 oa 段所示。 oa段為儀表正常測量范圍，儀表出口處流體不帶走熱量，或者說帶走熱量極微；超過a點流量增大到有部分熱量被帶走而呈現(xiàn)非線性，流量超過b點則大量熱量被帶走。測量管加熱方式大部分產(chǎn)品采用兩繞組或三繞組線繞電阻；除管外電阻絲繞組加熱方式外還有利用管材本身電阻加熱方式，如表1所示。測量管形狀有直管形，還有字形結(jié)構(gòu)，三繞組中一組在中間加熱，兩組分繞兩臂測量溫度。表 1 測量管加熱和檢測方式方 式感應(yīng)加熱熱電偶 兩繞組電阻絲三繞組電阻絲結(jié)構(gòu)檢測元件熱電偶熱電阻絲熱電阻絲加熱方式測量管焦耳熱自己加熱中間繞組加熱為了獲得良好的線形輸出，必須保持層流流動，測量管內(nèi)徑d設(shè)計得很小而長度l很長，即有很

5、大l/d比值，流速低，流量小。為擴大儀表流量，還可采用在管道內(nèi)裝管束等層流阻流件；擴大更大流量和口徑還常采用分流方式，在主管道內(nèi)裝層流阻流件（見圖3）以恒定比值分流部分流體到流量傳感部件。有些型號儀表也有用文丘里噴嘴等代替層流阻流件。市場上熱分布式tmf按測量管內(nèi)徑分為細管型（也有稱毛細管型）和小型兩大類，結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。小型測量管儀表只有直管型，內(nèi)徑為4mm；細管型測量管內(nèi)徑僅0.20.5mm。稍大者為0.81mm，極容易堵塞，只適用于凈化無塵氣體。細管型儀表還有一種帶有調(diào)節(jié)單元和控制閥等組成一體的熱式質(zhì)量流量控制器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。1.2基于金氏定律的浸入型tmf金氏定律的熱絲熱散失率表

6、述各參量間關(guān)系，如式2所示。（2）式中 h/l -單位長度熱散失率，j/mh;t-熱絲高于自由流束的平均升高溫度，k； -流體的熱導(dǎo)率，j/hmk;cv-定容比熱容，j/kgk;-密度，kg/m3;u-流體的流速，m/h;d-熱絲直徑，m.如圖5所示，兩溫度傳感器（熱電阻）分別置于氣流中兩金屬細管內(nèi)，一熱電阻測得氣流溫度t；另一細管經(jīng)功率恒定的電熱加熱，其溫度tv高于氣流溫度，氣體靜止時tv最高，隨著質(zhì)量流速u增加，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測得溫度差t=tv-t.這種方法稱作“溫度差測量法”或“溫度測量法”。消耗功率p和溫度差t如式3所示比列關(guān)系，式中b, c, k均為常數(shù)，k在?之間。從

7、式2便可算出質(zhì)量流速，乘上點流速于管道平均流速間系數(shù)和流通面積的質(zhì)量流量qm，再將式3變換成式4。 （3）（4）式4中e是與所測氣體物性如熱導(dǎo)率、比熱容、粘度等有關(guān)的系數(shù)，如果氣體成分和物性恒定則視為常數(shù)。d則是與實際流動有關(guān)的常數(shù)。若保持t恒定，控制加熱功率隨著流量增加而增加功率，這種方法稱作“功率消耗測量法”。2、 優(yōu) 點 熱分布式tmf可測量低流速（氣體0.022m/s）微小流量；浸入式tmf可測量低中偏高流速(氣體260m/s)，插入式tmf更適合于大管徑。tmf無活動部件，無分流管的熱分布式儀表無阻流件，壓力損失很?。粠Х至鞴艿臒岱植际絻x表和浸入性儀表，雖在測量管道中置有阻流件，但壓

8、力損失也不大。tmf使用性能相對可靠。與推導(dǎo)式質(zhì)量流量儀表相比，不需溫度傳感器，壓力傳感器和計算單元等，僅有流量傳感器，組成簡單，出現(xiàn)故障概率小。 熱分布式儀表用于h2 、n2 、o2、co 、no等接近理想氣體的雙原子氣體，不必用這些氣體專門標定，直接就用空氣標定的儀表，實驗證明差別僅2%左右；用于ar、he等單原子氣體則乘系數(shù)1.4即可；用于其他氣體可用比熱容換算，但偏差可能稍大些。氣體的比熱容會隨著壓力溫度而變，但在所使用的溫度壓力附近不大的變化可視為常數(shù)。3、 缺 點 熱式質(zhì)量流量計響應(yīng)慢。被測量氣體組分變化較大的場所，因cp值和熱導(dǎo)率變化，測量值會有較大變化而產(chǎn)生誤差。對小流量而言，

9、儀表會給被測氣體帶來相當(dāng)熱量。對于熱分布式tmf，被測氣體若在管壁沉積垢層影響測量值，必須定期清洗；對細管型儀表更有易堵塞的缺點，一般情況下不能使用。對脈動流在使用上將受到限制。液體用tmf對于粘性液體在使用上亦受到限制。 4、 分 類 按流體對檢測元件熱源的熱量作用可分為熱量傳遞轉(zhuǎn)移效應(yīng)和熱量消散效應(yīng)或冷卻效應(yīng)。按檢測變量可分為溫度測量法和功率消耗測量法。按流量傳感器結(jié)構(gòu)可分為（有測量管的）接入管道式和插入式。按測量流體可分為氣體和液體用。氣體是當(dāng)前tmf主要應(yīng)用的流體，從微小流量到大管徑大流量都可使用。液體用tmf 在20世紀90年代初中期開始發(fā)展并在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用，但當(dāng)前主要為微小流量儀

10、表。有消耗功率測量法的熱分布式tmf和利用珀爾帖（ peltier）致冷元件在檢測部位致冷（即附加熱）的tmf。后者的測量原理如圖6所示，流量傳感器由測量毛細管、電子冷卻裝置（珀爾帖元件）和3各溫度檢出件組成。測量管和致冷元件接觸，無液體流動時冷卻到某一溫度時，兩者溫度相等；液體流動時致冷元件附近測量毛細管溫度上升，如虛線所示分布，測量溫度檢測點的兩者溫度差以求的流量。5. 選用考慮要點5.1 應(yīng)用概況tmf目前絕大部分用于測量氣體，只有少量用于測量微小液體流量。熱分布式儀表使用口徑和流量均較小，較多應(yīng)用于半導(dǎo)工業(yè)外延擴散、石油化工微型反應(yīng)裝置、鍍膜工藝、光導(dǎo)纖維制造、熱處理淬火爐等各種場所的

11、氫、氧、氨、燃氣等氣體流量控制，以及固體致冷中固體氬蒸發(fā)等累積量和閥門制造中泄漏量的測量等。在氣體色譜儀和氣體分析儀等分析儀器上，用于監(jiān)控取樣氣體量。分流型熱分布式儀表應(yīng)用于3050mm以上管徑時，通常在主流管道上裝孔板等節(jié)流裝置或均速管，分流部分氣體到流量傳感器進行測量。冷卻效應(yīng)的插入式tmf國外近10年在環(huán)境保護和流程工業(yè)中應(yīng)用發(fā)展迅速，例如；水泥工業(yè)豎式磨粉機排放熱氣流量控制，煤粉燃燒過程粉/氣配比控制，污水處理發(fā)生的氣體流量測量，燃料電池工廠各種氣體流量測量等等。大管道用還有徑向分段排列多組檢測元件組成的插入檢測桿，應(yīng)用于鍋爐進風(fēng)量控制以及煙囪煙道排氣監(jiān)測so2和nox排放總量。液體微

12、小流量tmf應(yīng)用于化學(xué)、石油化工、食品等流程工業(yè)實驗性裝置，如液化氣流量測量，注入過程中控制流量；高壓泵流量控制的反饋量；藥液配比系統(tǒng)定流量配比控制；直接液化氣液態(tài)計量后氣化，供給工業(yè)流程或商業(yè)銷售。還有在色譜分析等儀器上用作定量液取樣控制以及用于動物實驗麻醉液流量測量。還未見到液體微小流量tmf國內(nèi)定型產(chǎn)品。5.2流體種類和物性tmf只能用于測量清潔單相流體-氣體或液體，用氣體的型號不能用于液體，反之亦然。對于熱分布式氣體還必須是干燥氣體，不能含有濕氣。流體可能產(chǎn)生的沉積、結(jié)垢以及凝結(jié)物均將影響儀表性能。對于熱分布式tmf制造廠還應(yīng)給出接受的不清潔程度，例如大部分給出允許微粒粒度，用戶可按此

13、決定是在儀表前裝過濾器。浸入式tmf對清潔度要求低些，則可用于測量煙道氣，但必須裝有閥等插入機構(gòu)，能再不停流條件下去取出檢測頭。（1） 流體的比熱容和熱導(dǎo)率從式1和式2可知，tmf工作時流體的比熱容和熱導(dǎo)率保持恒定才能測量準確。被測介質(zhì)工況溫度、壓力變化范圍不大，僅在工作點附近波動，比熱容變化不大，可視作常數(shù)。若工作點壓力溫度遠離校準時壓力溫度，則必須在該工作點壓力溫度下調(diào)整。表2列出幾種氣體在不同壓力溫度下的定壓比熱容，可看到其變化程度。表2 幾種氣體定壓比熱容 cal/(gk) 種類溫度/k壓 力 / mpa0.0010.1110空氣3004005000.2400.2420.2460.24

14、10.2420.2460.2440.2440.2470.2780.2600.257氬氣ar3004005000.1240.1240.1240.1250.1250.1250.1270.1250.1250.1550.1390.133二氧化碳co23004005000.2020.2240.2420.2040.2250.2430.2200.2310.246-0.3140.272一氧化碳co3004005000.2490.2500.2540.2490.2500.2540.2530.2530.2560.2850.2720.267甲烷ch4300400500-0.540.600.690.550.610.69

15、0.650.640.71氮氣n23004005000.2490.2500.2520.2490.2500.2520.2520.2510.2540.2850.2680.263氧氣o23004005000.2200.2250.2320.2200.2250.2320.2230.2270.2230.2590.2430.243注： 1cal/ (gk)=4186.8j/ (kgk)（2） 流量值的換算熱分布式tmf制造廠通常用空氣或氮氣在略高于常壓的室溫工況條件下標定（校準）。如實際使用工況有異或不用于同一氣體，均可通過各自條件下比熱容或換算系數(shù)換算。1） 同一氣體不同工況的流量換算 從表2的數(shù)值可以看出

16、空氣、氬氣、一氧化碳、氮氣、氧氣壓力在1mpa以下、溫度在400k以下變化，定壓比熱容變化僅在1%2%之間，大部分使用場所可不作換算；壓力溫度變換較大時也可利用式6計算，因為同一氣體兩種工況條件下定壓比熱容的比值與摩爾定壓比熱容的比值是相等的。2） 不同氣體間流量換算 有些制造廠的使用說明書給出以空氣為基數(shù)的轉(zhuǎn)換系數(shù)f，可按式6換算；也可直接以標定（校準）氣體和實際使用氣體的摩爾定壓比熱按式6換算，但因還有熱導(dǎo)率等其他因素，換算后精度要降低些。表3給出若干氣體按摩爾定壓比熱容直接計算和若干制造廠提供的兩種轉(zhuǎn)換系數(shù)數(shù)據(jù)，其中freon12兩者差別較大。表3 幾種氣體的轉(zhuǎn)換系數(shù)氣體名稱化學(xué)式摩爾定

17、壓比熱容j/(moi.k)轉(zhuǎn)換系數(shù) f按cp值計算若干制造廠提供范圍空氣29.111氨nh337.30.7810.770.79二氧化碳co236.60.7980.730.80一氧化碳co29.11.0021.00甲烷ch435.40.8230.690.90乙烷c2h651.60.5650.480.56乙烯c2h442.20.690.560.69freon 12cci2f66.20.440.320.36氦he20.91.391.371.43氬ar20.91.391.391.43氫h228.61.0190.991.03氮n229.11.0031.001.02氧o229.20.9990.971.00

18、各廠提供的轉(zhuǎn)換系數(shù)單雙原子氣體差別較小，僅百分之幾；烴類氣體則差別較大，達20% 30%。(5) (6)式中 qm-儀表標定的質(zhì)量流量，但通常以標準狀態(tài)體積流量表征，l/h（標準狀態(tài)）；qm -特使用氣體的質(zhì)量流量。l/h（標準狀態(tài)）；cp-標定氣體的摩爾定壓比熱容，通常為空氣，j/ (moik);cp-待使用氣體的摩爾定壓比熱容，j/ (moik)。浸入式tmf由于式（3）和式（4）中各系數(shù)由各個檢測元件幾何形狀和所測氣體而定，所以目前通常只能在實際使用條件下個別校準。3） 混合氣體的換算的轉(zhuǎn)換系數(shù) 混合氣體的換算亦按式6進行，惟其轉(zhuǎn)換系數(shù)fmix按式7合成 （7）式中 v1,v2,-vn為

19、各成分氣體體積的占有率；f1,f2,-fn為各成分氣體的轉(zhuǎn)換系數(shù)。（3）流體中含有異相和低沸點液體 氣體用儀表，熱分布式必須是清潔氣體，不能有固相，浸入式則可允有微粒，但均不得含有水氣。測量液體時如混入氣泡會產(chǎn)生測量誤差。由于大部分tmf要帶給流體一定熱量，流體溫度會升高，如所測液體是低沸點液體，應(yīng)考慮液體汽化氣化問題，必要是時選用致冷元件的tmf。 5.3 儀表性能考慮（1） 流量范圍、流速和范圍度tmf的流量應(yīng)以單位時間流過的質(zhì)量來表示，但測量氣體時習(xí)慣上亦常以計算到標準狀態(tài)下單位時間流過的體積表示。流速亦以標準狀態(tài)下單位時間流過距離的長度表示。與其他流量計相比，tmf適用于低流速范圍，特

20、別是小口徑熱分布式；帶測量短管浸入檢測桿式可選上限（滿度）流速范圍較寬，上限范圍度（最大上限流量/最小上限流量）在10 30（th1200型）和60 80 (th1300型)之間。插入式tmf的上限流速選擇范圍較寬，可在0.5100m/s,但較多用于360m/s之間，視儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計而異。插入式tmf 適用于低流速煙道氣測量。 液體用tmf的上限流量很小，國外現(xiàn)有產(chǎn)品上限流量范圍在101102g/min數(shù)量級之間；流量范圍度在10:150:1之間。（2）精確度和重復(fù)性tmf 具有中等測量精確度。熱分布式的基本誤差通常在（22.5）%fs之間。國外設(shè)計優(yōu)良的產(chǎn)品則有較高精確度，基本誤差為1%fs，

21、重復(fù)性則在0.2%0.5%fs之間。帶測量短管浸入式的基本誤差相仿，亦在（22.5）%之間，設(shè)計優(yōu)良的產(chǎn)品可達2%r。插入式除儀表本身基本誤差外，還應(yīng)加上流速分布系數(shù)變化影響等，單點測量影響較大，多點或多檢測桿則影響較小，合計約在（2.55）%fs之間。插入式儀表檢測的點數(shù)視流通面積和流動狀況而定，有制造廠在正常流速分布流動狀況下，推薦檢測點數(shù)為：；圓管直徑在200mm以下為單位單點，200300mm為雙點，350700mm為34點，7501200為5點，1250mm以上為6點。矩形管面積0.05m2以下為單點，0.10.2m2為24點，0.22.5mm2為412點，2.5m2以上為1220為

22、點。（3） 響應(yīng)性在流量儀表中tmf的響應(yīng)時間是比較長的，時間常數(shù)一般為25s，響應(yīng)較快者為0.5s，有些型號長達數(shù)秒、十幾秒甚至幾十秒者。若應(yīng)用于控制系統(tǒng)不能選用響應(yīng)時間長的儀表。（4） 流體溫度，環(huán)境溫度和環(huán)境溫度影響量流體使用溫度一般為0500c，范圍較寬者為101200c，應(yīng)用于窯爐或煙道的高溫高粉塵型則可高達5500c。加熱熱源溫度高于氣體數(shù)十度（k）。測量氣體時流體溫度變化，不像體積流量儀表那樣氣體體積變化改變所測（體積）流量，并不影響質(zhì)量流量，然而如前文所述若溫度變化過大，比熱容的變化會導(dǎo)致量程變化。這種影響因氣體種類而異，如空氣、氮氣、氧氣、氫氣等影響量不大；但有些氣體例如甲烷

23、壓力在0.1mpa，溫度從300k升高到400k定壓比熱容要增加11.1%（見表2）此外還有零點偏移影響。環(huán)境溫度適用范圍通常為(050)0c。較寬者為(10 +80)0c。環(huán)境溫度激烈變化將影響經(jīng)外殼散失的熱量，導(dǎo)致測量值的變化，包括零點偏移和量程變化。環(huán)境溫度影響量一般為(0.51.5)%/10k，但也有一些制造廠聲稱無環(huán)境溫度影響。（5） 壓力損失氣體用儀表壓力損失很小，滿量程流量時熱分布式壓力損失均在10kpa以下，其中帶層流分流部件（或無分流部件）的小管型，如ldg-1db、ldg-2db型僅數(shù)十帕；浸入式亦僅數(shù)十帕。 6、 安裝使用注意事項 6.1 安裝姿勢（方向）1） 熱分布式 大部分熱分布式tmf的流量傳感器可任何姿勢（水平、 垂直或傾斜）安裝，有些儀表只要安裝好后在工作條件壓力、溫度下作電氣零點調(diào)整。然而有些型號儀表對安裝姿勢具有敏感性，大部分制造廠會對此就安裝姿勢影響和安裝要求作出說明。例如ldg-db系列為減少環(huán)境氣氛對流傳熱影響，只能水平安裝，水平度允差20。應(yīng)用于高壓氣體時流量傳感器則寧可選擇水平安裝，因為這樣便于做到調(diào)零的零偏置。2）浸入式 大部分浸入式tmf性能不受安裝姿勢影響。然而在低流速測量時因受管道內(nèi)氣體對流的熱流影響，使安裝姿勢顯得重要。因此在低和非常低流速流動時要獲得精確測量，必須遵循制造廠依據(jù)儀表設(shè)計結(jié)構(gòu)而定