热式质量流量计原理及概述

热式质量流量计 　 　   热式质量流量计（以下简称TME）是利用传热原理，即流动中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表，过去我国习称量热式流量计。当前主要用于测量气体。    20世纪90年代初期，世界范围TMF销售金额约占流量仪表的8%，约4.5万台。国内90年代中期销售量估计每年1000台左右。过去流程工业用仪表主要是热分布式，近几年才开发热散（或冷却）效应式。 1. 原理和结构 热式流量仪表用得最多有两类，即1）利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布式流量计（thenmaI prohIe fIowmeter）曾称量热式TMF;2)利用热消散（冷却）效应的金氏定律（King s Iaw）TMF。又由于结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型（immersion type ）或侵入型（intrusion type）。有些在使用时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式（insertion type）。1.1热分布式TMF         热分布式TMF的工作原理如图1所示，薄壁测量管3外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组2，组成惠斯登电桥，由恒流电源5供给恒定热量，通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。边界层内热的传递可以看作热传导方式实现的。在流量为零时，测量管上的温度分布如图下部虚线所示，相对于测量管中心的上下游是对称的，由线圈和电阻组成的电桥处于平衡状态；当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如实线所示，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈平均温度差ΔT。便可按下式导出质量流量qm，即     （1） 　 式中 cp －－－－－－-被测气体的定压比热容；          A  －－－－－－-测量管绕组（即加热系统）与周围环境热交换系统之间的热传导系数；          K  －－－－－－-仪表常数。 在总的热传导系数A中，因测量管壁很薄且具有相对较高热导率，仪表制成后其值不变，因此A的变化可简化认为主要是流体边界层热导率的变化。当使用于某一特定范围的流体时，则A、cp均视为常量，则质量流量仅与绕组平均温度差成正比，如图2 Oa 段所示。 Oa段为仪表正常测量范围，仪表出口处流体不带走热量，或者说带走热量极微；超过a点流量增大到有部分热量被带走而呈现非线性，流量超过b点则大量热量被带走。   测量管加热方式大部分产品采用两绕组或三绕组线绕电阻；除管外电阻丝绕组加热方式外还有利用管材本身电阻加热方式，如表1所示。测量管形状有直管形，还有∏字形结构，三绕组中一组在中间加热，两组分绕两臂测量温度。 表 1 测量管加热和检测方式 方    式 感应加热热电偶    两绕组电阻丝 三绕组电阻丝 结构   检测元件 热电偶 热电阻丝 热电阻丝 加热方式 测量管焦耳热 自己加热 中间绕组加热        为了获得良好的线形输出，必须保持层流流动，测量管内径D设计得很小而长度L很长，即有很大L/D比值，流速低，流量小。为扩大仪表流量，还可采用在管道内装管束等层流阻流件；扩大更大流量和口径还常采用分流方式，在主管道内装层流阻流件（见图3）以恒定比值分流部分流体到流量传感部件。有些型号仪表也有用文丘里喷嘴等代替层流阻流件。    市场上热分布式TMF按测量管内径分为细管型（也有称毛细管型）和小型两大类，结构上有较大区别。小型测量管仪表只有直管型，内径为4mm；细管型测量管内径仅0.2~0.5mm。稍大者为0.8~1mm，极容易堵塞，只适用于净化无尘气体。细管型仪表还有一种带有调节单元和控制阀等组成一体的热式质量流量控制器，结构如图4所示。 1.2基于金氏定律的浸入型TMF金氏定律的热丝热散失率表述各参量间关系，如式2所示。           （2） 式中 H/L －－－－－－-单位长度热散失率，J/m•h;ΔT－－－－－－－－热丝高于自由流束的平均升高温度，K；λ －－－－－－－－流体的热导率，J/h•m•K;cV－－－－－－－－-定容比热容，J/kg•k;ρ－－－－－－－－-密度，kg/m3;U－－－－－－－－-流体的流速，m/h;d－－－－－－－－热丝直径，m.      如图5所示，两温度传感器（热电阻）分别置于气流中两金属细管内，一热电阻测得气流温度T；另一细管经功率恒定的电热加热，其温度Tv高于气流温度，气体静止时Tv最高，随着质量流速ρU增加，气流带走更多热量，温度下降，测得温度差ΔT=Tv-T.这种方法称作“温度差测量法”或“温度测量法”。消耗功率P和温度差ΔT如式3所示比列关系，式中B, C, K均为常数，K在?~?之间。从式2便可算出质量流速，乘上点流速于管道平均流速间系数和流通面积的质量流量qm，再将式3变换成式4。         （3）                 （4）  式4中E是与所测气体物性如热导率、比热容、粘度等有关的系数，如果气体成分和物性恒定则视为常数。D则是与实际流动有关的常数。    若保持ΔT恒定，控制加热功率随着流量增加而增加功率，这种方法称作“功率消耗测量法”。 2、 优 点 热分布式TMF可测量低流速（气体0.02~2m/s）微小流量；浸入式TMF可测量低~中偏高流速(气体2~60m/s)，插入式TMF更适合于大管径。    TMF无活动部件，无分流管的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小；带分流管的热分布式仪表和浸入性仪表，虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不大。    TMF使用性能相对可靠。与推导式质量流量仪表相比，不需温度传感器，压力传感器和计算单元等，仅有流量传感器，组成简单，出现故障概率小。     热分布式仪表用于H2 、N2 、O2、CO 、NO等接近理想气体的双原子气体，不必用这些气体专门标定，直接就用空气标定的仪表，实验证明差别仅2%左右；用于Ar、He等单原子气体则乘系数1.4即可；用于其他气体可用比热容换算，但偏差可能稍大些。     气体的比热容会随着压力温度而变，但在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数。 3、 缺 点 热式质量流量计响应慢。    被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差。    对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量。    对于热分布式TMF，被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值，必须定期清洗；对细管型仪表更有易堵塞的缺点，一般情况下不能使用。    对脉动流在使用上将受到限制。    液体用TMF对于粘性液体在使用上亦受到限制。 4、 分 类    按流体对检测元件热源的热量作用可分为热量传递转移效应和热量消散效应或冷却效应。      按检测变量可分为温度测量法和功率消耗测量法。    按流量传感器结构可分为（有测量管的）接入管道式和插入式。    按测量流体可分为气体和液体用。    气体是当前TMF主要应用的流体，从微小流量到大管径大流量都可使用。    液体用TMF 在20世纪90年代初中期开始发展并在工业生产中应用，但当前主要为微小流量仪表。有消耗功率测量法的热分布式TMF和利用珀尔帖（ Peltier）致冷元件在检测部位致冷（即附加热）的TMF。后者的测量原理如图6所示，流量传感器由测量毛细管、电子冷却装置（珀尔帖元件）和3各温度检出件组成。测量管和致冷元件接触，无液体流动时冷却到某一温度时，两者温度相等；液体流动时致冷元件附近测量毛细管温度上升，如虚线所示分布，测量温度检测点的两者温度差以求的流量。   5. 选用考虑要点 5.1 应用概况 TMF目前绝大部分用于测量气体，只有少量用于测量微小液体流量。    热分布式仪表使用口径和流量均较小，较多应用于半导工业外延扩散、石油化工微型反应装置、镀膜工艺、光导纤维制造、热处理淬火炉等各种场所的氢、氧、氨、燃气等气体流量控制，以及固体致冷中固体氩蒸发等累积量和阀门制造中泄漏量的测量等。在气体色谱仪和气体分析仪等分析仪器上，用于监控取样气体量。分流型热分布式仪表应用于30~50mm以上管径时，通常在主流管道上装孔板等节流装置或均速管，分流部分气体到流量传感器进行测量。    冷却效应的插入式TMF国外近10年在环境保护和流程工业中应用发展迅速，例如；水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制，煤粉燃烧过程粉/气配比控制，污水处理发生的气体流量测量，燃料电池工厂各种气体流量测量等等。大管道用还有径向分段排列多组检测元件组成的插入检测杆，应用于锅炉进风量控制以及烟囱烟道排气监测SO2和NOX排放总量。    液体微小流量TMF应用于化学、石油化工、食品等流程工业实验性装置，如液化气流量测量，注入过程中控制流量；高压泵流量控制的反馈量；药液配比系统定流量配比控制；直接液化气液态计量后气化，供给工业流程或商业销售。还有在色谱分析等仪器上用作定量液取样控制以及用于动物实验麻醉液流量测量。还未见到液体微小流量TMF国内定型产品。5.2流体种类和物性    TMF只能用于测量清洁单相流体－－－－－－气体或液体，用气体的型号不能用于液体，反之亦然。对于热分布式气体还必须是干燥气体，不能含有湿气。流体可能产生的沉积、结垢以及凝结物均将影响仪表性能。对于热分布式TMF制造厂还应给出接受的不清洁程度，例如大部分给出允许微粒粒度，用户可按此决定是在仪表前装过滤器。浸入式TMF对清洁度要求低些，则可用于测量烟道气，但必须装有阀等插入机构，能再不停流条件下去取出检测头。    （1） 流体的比热容和热导率    从式1和式2可知，TMF工作时流体的比热容和热导率保持恒定才能测量准确。被测介质工况温度、压力变化范围不大，仅在工作点附近波动，比热容变化不大，可视作常数。若工作点压力温度远离校准时压力温度，则必须在该工作点压力温度下调整。表2列出几种气体在不同压力温度下的定压比热容，可看到其变化程度。 表2 几种气体定压比热容    cal/(g•K) 种类 温度/K 压     力  / MPa 0.001 0.1 1 10 空气 300400500 0.2400.2420.246 0.2410.2420.246 0.2440.2440.247 0.2780.2600.257 氩气Ar 300400500 0.1240.1240.124 0.1250.1250.125 0.1270.1250.125 0.1550.1390.133 二氧化碳CO2 300400500 0.2020.2240.242 0.2040.2250.243 0.2200.2310.246 －－－－0.3140.272 一氧化碳C