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热式气体质量流量计 厂家工作原理结构说明

时间:2018/08/10来源:未知

  热式气体质量流量计是根据介质热传递原理制成的一种流量仪表。通常大家根据热式气体质量流量计不同的被测物理量可以分为以下 3  种测量关系[15]:
  1)利用流体流过加热源时产生的温度场变化对应的气体质量流量的关系;
  2)利用加热介质气体时其温度上升到某一值所需要的能量与气体质量流量之间的关系;
  3)利用气体流过加热源时所带走的热量与气体质量流量的关系。现在大家假设被测气体的比定压热容为pC ,质量流量为mq ,可以肯定,当 0mq 时,由于沿管道轴向的温度场分布是对称于热源的,所以T0 ;随着气体质量流量的增加,温度场的对称性被破坏,使得上游温度低于下游温度,温差T 也随之增加;当mq→∞时,由于上下游温度计接触到的几乎都是未加热流体,T 也将→0。温差T与质量流量mq 之间的关系可以用图 2.1 来表示。从图 2.1 可以看出,在一定的流量范围内,质量流量与温差基本上呈良好的线性关系,超出一定的流量范围,质量流量和温差之间线性关系较差,且随着流量的增加温差减小。 
图 2.1 温差和流量的关系

图 2.1 温差和流量的关系
  到 20 世纪 70 年代,基于测量流体温度分布的热分布式质量流量计所呈现出来的种种优点得到了广泛认可,在国内外得到了较快发展,这种热分布式流量计主要用于测量微小气体流量。随着科技的发展,经过对流量计结构上的重新设计,在接触式流量计的基础上,人们提出了一种基于热消散(冷却)效应的 King 定律的浸入型热式流量计[16],并得到了很快的发展,热探头有热线、热膜、微型热阻桥等,可以用来测量较大管径的气体流量。 

1、热式气体质量流量计的工作原理 :
1.1、热分布型气体质量流量计 :
  热分布型气体质量流量计是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。这种质量流量计的结构原理如图 2.2 所示,流量传感器由细长的测量管和绕在其外壁上的加热器及感温元件组成,加热器线圈布置在测量管的中央,它将管壁及管内的流体加热。在加热线圈两边对称位置绕有两个感温热电阻 R1和 R2 ,测量与加热线圈对称的上、下游处管壁的温度T1、T2。而 R1、R2 与另外两个电阻 R3 和 R4 组成惠斯登电桥,以测量温差 △T(△T=T2一T1)。
图 2.2 热分布型 TMF 传感器结构原理图 1、3-感温元件;2-加热器;4-放大器

图 2.2 热分布型 TMF 传感器结构原理图 1、3-感温元件;2-加热器;4-放大器 
  加热器提供恒定的热量,通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。边界层内热量的传递可以看作是由热传导方式实现的,流量为零时,测量管上的温度分布如图 2.2 中的虚线所示,相对于测量管中心的上、下游是对称的,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图 2.2 中实线所示。由电桥测出两感温体的平均温差T ,便可按下式导出质量流量mq ,即[17]:  
计算公式

式中: A ---感温元件与环境热交换的热传导系数;         pC ---被测气体的定压比热容;             K ---仪表常数。 

1.2、浸入型气体质量流量计:
  浸入型热式质量流量计又叫插入型热式气体质量流量计,是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量的流量计,它解决了接触式TMF 在结构上的缺陷,采用适用于工业现场应用的坚固传感器结构,在近 20 年来得到了迅速发展。浸入型热式质量流量计是在热线风速仪的基础上发展起来的,其理论基础是基于热消散(冷却)效应的金氏定律(King's  Law)[18],故先进行热线风速仪的热线换热分析。 
  将加热的金属丝置于气体中,金属丝与被测气体之间将以传导、辐射和对流这三种方式进行热交换。对于封闭热力学系统,可以得出系统的热平衡方程[19]: 
W=Q1+Q2+Q3
  式(2-2)中,W 为金属丝热耗散的热量;1Q 为对流换热量;2Q 为导热热量;3Q 为辐射热量。在大多数使用场合,热线金属丝与被测气体之间的温差小于 300℃,故热辐射3Q 的影响较小,可以忽略不计。在设计和制作探头时,会设法使沿热线的热传导2Q 减至***小。由实验知,当被测气体的流速大于 0.5m/s  时,自然对流的影响也可以忽略。所以,热线的热损耗主要取决于强迫对流,即: 
w=q1
  浸入型热式质量流量计结构原理如图 2.3 所示。它有两个探头浸入到被测气体中,一个速度探头检测质量流量mq ,一个温度探头检测介质气体温度 T,并自动对温度的变化进行修正。现代工业常用的测量探头是由标准级铂电阻(RTD)的铂丝绕在一陶瓷芯棒上插入一坚固的不锈钢套管(或温度计套管)中组成的。速度探头的电阻比温度探头的电阻低得多,并由电子设备供电产生热量。 
  由上面的热线换热分析和能量守恒定律,电子设备提供给速度探头加热的能量Q等于探头热耗散的热量W ,也等于气体流过探头对流所带走的热量1Q ,即: 
q=w=q1
图 2.3 浸入型 TMF 传感器结构原理图

图 2.3 浸入型 TMF 传感器结构原理图 
  因为测速探头产生的热量Q取决于焦耳定律, 设加热器功率为 P ,测速探头电阻为R ,其两端电压为E ,则在时间 t 内有:
计算公式
   tREPt Q2   (2-5) 由牛顿冷却定律,单位时间内对流换热量有:      Q TTh As1  (2-6) 上式中,h 是表面传热系数;sA 是圆柱形探头表面积;T 是速度探头的温度;T是温度探头测得的气体温度。  所以,在单位时间内有:   TTh AREPs2  (2-7)               参与速度探头周围的热边界层换热的是流动气体的分子(即质量),因此,浸入型热式气体质量流量计传感器检测到的是流体的质量流量。由传热理论可知,乘积sh A 常可表示为 :  mmsqaah A )(21   (2-8)               
求解式 (2.1.7)和(2.1.8)可得气体质量流量mq ,即: 
计算公式
其中,1a 、2a 和 m 都是经验确定的常数,取决于被测气体的传热系数、粘度和热容量等特性,△T=Tu-T。 

2、测量方法:
2.1、测量方法先容:
  根据热式气体质量流量计的 3 种测量关系可以分成两种测量方法,一种是给气体加入一定的热量,热能随气体流动,可以通过检测相应点的热量变化来求出气体流量;另一种是在流动的气体中放置加热元件,则其温度随流速变化,可以通过检测加热元件因对流换热被冷却程度来测量气体流量[20]。前者称为量热式,这种测量方法的典型代表有早期的托马斯流量计以及非接触式的边界层流量计和热分布型流量计;后者称为热传导式,这种测量方法的典型仪表有热线风速仪、浸入型流量计等。而对于热传导测量方法的典型代表浸入型热式气体质量流量计,由上面的分析,可以得出质量流量mq 与两个探头温差 T 有如下关系[21]:
计算公式

  其中, A 、 B 和 N 都可以看成与气体热性有关的常数,由上式可知,对于浸入型热式气体质量流量计有两种不同的测量质量流量的方法:恒功率法和恒温差法。恒功率法原理是测量因气体流动造成的温度场变化来反映质量流量,温度场的变化用两个探头的温差来表示;恒温差法原理是测量因气体流动造成的能量场变化来反映质量流量,能量场的变化用速度探头的加热功率来表示。若采用恒功率法,即加热功率 P 一定,则温差T 与气体质量流量mq 成指数函数递减;若采用恒温差法,即温差 T 一定,则加热功率 P 与气体质量流量mq 成指数函数递增。 
2.2、测量方法选择 :
  根据气体流量测量原理,可以得出恒温差和恒功率热式气体质量流量计输出信号和流速之间的关系[22],横坐标代表流速,纵坐标代表输出信号(温差△T 和功率 P),则这两种测量方法的输出信号与流速变化曲线如图 2.4 所示: 
(b)恒功率 图 2.4 输出信号与流速变化曲线图
(b)恒功率 图 2.4 输出信号与流速变化曲线图 

  由图 2.4(a)可知,恒温差原理的气体质量流量计在低流速时随着流速 V 的变化,其输出信号 P 的变化较大,也就是说其在低流速时具有较高的灵敏度和精度;相反其在高流速时,随流速 V 的变化,输出信号 P 变化较小,故其在高流速时测量精度较小。而由图 2.4(b)知,恒功率原理的气体质量流量计在低流速时随着流速 V 的变化,其输出信号△T 的变化较小,也就是说其在低流速时具有较低的灵敏度和精度;相反其在高流速时,随流速 V 的变化,输出信号△T 变化较大,故其在高流速时测量精度较高。一般情况下,大家认为恒温差式气体质量流量计的***大优点是比恒功率式气体质量流量计的响应速度快。因为恒功率式流量计测量值是根据实际温度变化获得,测量管道质量和检测元件质量的热惯性都会降低响应速度;而恒温差式的温度分布没有变化,不受检测元件等热惯性的影响。然而对于恒功率式气体质量流量计,由于它采用恒定的功率对测速探头加热,与恒温差式气体质量流量计相比它有其独特的优点[23]:
  (1)恒功率式流量计的***大可测流量较大。随着气体流量的增加,被加热的测速探头的热量被迅速带走,对于恒温差式的流量计,它要求对被加热探头的能量急速增加才能保证温差恒定,但是由于能量的增加受到电路本身功率的影响以及被加热的测速探头***大允许电流的影响,其***大值受到一定限制。
  (2)恒功率流量计相对来说不容易受到脏湿介质的影响。恒温差式流量计为了增加其对温度的灵敏性及保持恒定温差的反应快速,其用来制作探头的铂电阻常常比较细,而恒功率式流量计却可以做得较粗。对于较细的铂电阻丝其上附着物对散热会产生很大的影响,更有甚者会使其测量准确度大大降低,而恒功率对脏湿介质的测量情况则会好很多。
  (3)恒功率流量计与恒温差流量计在耐高温方面有着明显的差异。就目前技术而言,恒功率的***高耐温可以做到 454℃,而恒温差的流量计一般都在 260℃以内,这对于测量过热蒸汽而言,其适应性有很大的差别[24]。 
  恒温差测量方法和恒功率测量方法各有优缺点,通常大家根据课题需求和工业现场实际情况选择合适的方法。从热式气体质量流量计的发展历史来看,恒温差流量计更早应用于实际工业应用,这主要是因为恒温差式比恒功率式响应速度快且实现起来较容易。所以目前市场上恒温差式气体质量流量计产品较多,但随着生产要求的不断提高,恒温差式流量计已经很难满足一些特殊生产的需要,特别是工业高流速测量领域,这就使恒功率式流量计成为重点研究的方向。 
 
2.3、传感器选择:
  流量传感器主要用来采集被测量气体的物理信息(包括流速、流量、温度等)并将其转化成为电子信号。流量传感器主要由铂电阻构成,一个是温度探头,一个是速度探头,两个探头都采用精度 A 级的陶瓷铂电阻传感器,如图 2.5 所示将铂电阻丝绕在电阻骨架上形成电阻体,这样做增大了散热面积,散热较快,热系数好,然后再将电阻体固定在坚固密封的不锈钢套管中,使其不怕振动,增加其稳定性和寿命[25]。
  在实际工作中温度探头测量被测气体的温度作为参照温度,速 度探头通常被加热到某一个高于气体温度的值,通过测量置于管道流动气体中速度探头的温度变化,可以反映气体流量,通常速度探头电阻值较小。本设计中测温探头采用 Pt100,速度探头采用 Pt20,它们都是正温度系数(NTC)热敏电阻传 感器,具有稳定性好、抗震动、耐高压、准确度高等优点。其中 Pt100 的温度测量范围为-200℃~850℃,且在 0~100℃之间变化时,具有很高的精度,***大非线性偏差小于 0.5℃。Pt100 电阻阻值tR 与温度 t 关系为: 
图 2.5 陶瓷铂电阻结构图
图 2.5 陶瓷铂电阻结构图 
计算公式
  式中,A =3.9083 E-3;B =-5.775 E-7;C =-4.183 E-12;0R 为 Pt100 在 0℃的阻值,一般取0R =100。可(2-12)见  Pt100 在常温  0~100℃区间的变化线性度非常好,其阻值表达式可以近似简化为:
Rt=100(1+At)
  即当温度变化 1℃,Pt100  阻值近似变化 0.39 欧。对于 Pt20,其电阻阻值tR 与温度t 的关系的关系为: 
计算公式
   式中,'A =3.8529 E-3;'B =-1.002 E-7;0R 为 Pt20 在 0℃的阻值,一般取0R =20。一般大家常把它简化成线性模型: 
   由此可以计算出当温度变化 1℃,Pt20  阻值近似变化 0.07706 欧。 
  目前,市场上热式气体质量流量计传感器结构有一体式设计和分离式设计两种[26]。一体式流量传感器是把温度探头和速度探头固定到一个基座上,分离式流量传感器的测温探头和测速探头是分开固定的。由于一体式流量传感器安装使用方便,目前市场占有率很高,如图 2.6 所示为市场上几种常见的一体式 TGF 传感器。 
1-外层保护套管;2-温度探头;3-速度探头;4-镂空部分;5-底座;6-信号线 图 2.6 几种常见的一体式 TGF 传感器


1-外层保护套管;2-温度探头;3-速度探头;4-镂空部分;5-底座;6-信号线 图 2.6 几种常见的一体式 TGF 传感器 

  当前,TGF 传感器的速度探头和温度探头多为圆柱体,由于一体式流量传感器两个探头被平行安置在待测气体介质中,且两个探头相距较近,所以速度探头的热能将通过传导、对流和辐射等方式,使得温度探头测量的温度通常高于实 际介质温度,造成很大的测量误差。为了克服现有 TGF 传感器存在的缺陷,结 合本设计中的多传感器测量方法,在现有一体 TGF 传感器的基础上进行了改进, 采用了一种新型多点测量 TGF 传感器,该传感器在一个安装基座上按照一定的规则固定四个测速探头(图 2.7 所示),而把测温探头单独固定安装,这样把测温探头与测速探头分开用,有效阻断了速度探头的热能通过传导、对流和辐射对 温度探头的影响,可大大降低测量误差,提高度[27]。对于制作探头传感器的铂电阻在安装时的导线电阻影响不容忽视,尤其是在导线长度不确定时侯,将无法在App中实现补偿,因此,大家在安装铂电阻时采用三线制引线方法,用来消除导线电阻的影响。 
图 2.7 测速探头安装示意图

图 2.7 测速探头安装示意图 
  热式气体质量流量计硬件按结构分总体上可分为三部分:流量计传感器、流量计控制器和上位机,这三部分的连接关系和总体效果如下图 3.1 所示。其中,流量计传感器主要包括测温探头和测速探头;流量计控制器上面集成了信号调理电路、AD 转换器、运算控制器、显示器和变送器以及其它一些重要电路等部分;上位机主要是指运行在上位机上的通信监控App。 

  热式气体质量流量计是利用热传导原理测量流体流量的仪表,该仪表采用恒温差法对气体质量流量进行准确测量。热式气体质量流量计具有体积小,数字化程度高,安装方便,测量准确等优点。
 
一、产品的技术优势:
1、专有流量数据模型算法;模糊理论控制温度、湿度算法;
2、高性能智能微处理器及模数、数模转换芯片;
3、宽量程比100:1;大口径,低流速,压损可忽略;
4、直接测量质量流量,无须温压补偿;
5、低流速测量非常灵敏;
6、设计、选型方便,安装、使用简便;
7、适合各类单一或混合气体流量测量。
 
二、产品特点:
1、采用稳定性极高的专利技术铂RTD传感器
2、采用享有专有技术”平衡结构封装”,介质温度自补偿
3、专有算法,可实现高线性、高重复性、高精度
4、量程比宽100:1,可据用户要求可拓展
5、可实现大管径小流量测量,***小流量可测低至零,分辨率0.001m/s
6、无可动部件、振动影响可忽略
7、直管段要求不高1-2D
8、与介质的温度、压力无关
9、专有高温算法,介质温度可达+510℃,
10、采用高湿算法,实现高精度测量
11、对流量信号键入12点动态修正,内置10点修正
12、在线动态校正电流/电压输出
13、对粉尘等小颗粒不敏感
14、在线不断流装卸,维护方便
 
三、应用场合:
1、公用工程---电﹑气﹑ 水处理的监控
管道的气体;通用系统;沼气;煤气;天然气;液化气;锅炉预热空气
2、石油与天然气工业
能量交换;填井气回收; 燃气计量;气体质量分析;泄漏气测试;天然气测量;火炬气的监控
3、电力行业
燃料系统中气体分配过程中的气体测量;锅炉及辅助系统中各种气体的测量;燃气炉中气体测量;氢气测量;电厂高炉的一次风、二次风的测量
4、化学行业
烟气循环监测;采样系统中气体流量计量;引风机的气体流量计量;化肥厂氨气测量 ;电池工厂各种气体流量测量
5、冶金行业
钢铁厂加气测量;炼铁厂高炉煤气的测量;焦化厂焦炉煤气的测量;轧钢厂加热炉燃气(高炉煤气、焦化煤气、天然气等)的测量控制;热处理淬火炉等的氢、氧、氮等气体的控制
6、纸浆与造纸行业
废水处理系统中气体的测量;烟道流量监控;锅炉回收二次/三次空气;锅炉的燃气和空气送风测量
7、食品及医药行业
加工操作中新鲜空气的加入;啤酒厂中的二氧化碳处理;瓶子消毒器中的热空气的流量;热氧化过程中气体流量测量;通风系统;锅炉进气﹑废气﹑过程控制
8、环保
沼气利用过程中的气体测量;氯气处理过程中氯气气体测量;污水处理过程中曝气池的气体测量;烟筒烟道排气监测SO2和NOX的排量
9、其他行业
工厂压缩空气测量;煤粉燃烧过程粉/气配比控制燃料;水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制
 
四、性能指标:
1、测量范围:0.5—100Nm/s (20℃,101.33KPa)
2、准确度: ±1%的读数 ±0.5%满量程
3、量程比:通常100:1(取决于标定流量的范围)
4、管径范围: 15mm~6000mm
5、应用范围: 适合各类单一或混合气体。含尘、含沙、含湿气、各种腐蚀性气体
6、环境温度范围: -40℃~+85℃(无显示); -30℃~+70℃(有显示); 湿度小于90%RH
7、介质温度范围: -40℃~+100℃;-40℃~+200℃; -40℃~+450℃;-40℃~+510℃
8、传感器直径:ф3、ф2.5
9、插入式传感器探杆直径:ф19(标准)、ф16、ф12
10、传感器材质:316不锈钢、哈氏合金、钛
11、探杆材质(保护套): 316不锈钢(标准)、哈氏合金
12、双向测量介质流量
13、模拟量输出:流量:4-20mADC, 温度:4-20mADC, ***大负载:1000Ω
14、累积脉冲量输出
15、键入12段非线性修正,内置10段非线性修正
16、通讯:串口输出RS232/RS485
17、供电电源:24VDC/600mA;220VAC/2W;110VAC/3W
18、报警:1-2路继电器输出、5A/220V、5A/30VDC、键入设定
19、大屏幕LCD显示:七位瞬时流量,八位累积流量
20、过程压力:1.6Mpa(***大20MPa)
21、安装工艺形式:插入式(卡套、卡套+球阀、法兰连接)适用于DN80以上的管道安装,管道式(法兰、螺纹连接)适用于DN15以上的管道安装。
22、防爆等级:本安型(iaⅡCT5)、隔爆型(ExdⅡCT4)
23、防护等级:IP65
 
五、传感器参数:

管段传感器数据表 (螺纹连接)
内径
(mm)DN
重量
(Kg)
安装长度
(mm)L
连接螺纹
额定压力
(MPa)
带连接件
不带连接件
20
4.5
280
R3/4″
G1″
1.6MPa
25
4.7
280
R1″
G11/4″
40
5.0
280
R11/2″
G2″
注:DN<20mm时,传感器尺寸请咨询我企业
管段传感器尺寸表(法兰连接)
内径
(mm)DN
重量
(Kg)
安装长度
(mm)L
法兰尺寸(mm)
额定压力
(MPa)
D
D0
N×A
20
6.2
280
105
75
4×14
1.0
25
6.6
280
115
85
4×14
32
7.2
280
140
100
4×18
40
8.2
280
150
110
4×18
50
9.6
280
165
125
4×18
65
10.8
280
185
145
4×18
80
13.1
280
200
160
8×18
100
16.5
280
220
180
8×18
125
19.6
290
250
210
8×18
150
29.8
310
285
240
8×22
200
40
340
340
295
8×22
250
56
370
395
350
12×22
300
66
410
455
400
12×22
350
70
440
505
460
16×22
400
75
480
565
515
16×26
450
90
510
615
565
20×26
500
105
550
670
620
20×26
600
162
620
780
725
20×30
700
180
690
860
810
24×26
0.6
800
240
750
975
920
24×30
1000
390
890
1175
1120
28×30
1200
650
1030
1405
1340
32×33
1400
850
1160
1630
1560
36×36
1600
1150
1290
1830
1760
40×36
1800
1500
1430
2045
1970
44×39
2000
1890
1560
2265
2180
48×42
注: 表中只给出了1.0Mpa的额定压力,高于1.0Mpa时请咨询我企业
 
六、产品选型:

 

HDRSL

热式气体质量流量计

公程通径

-XX

100表示DN100

 

安装形式

G

管道式

C

插入式

1

螺纹连接

2

法兰连接

 

公称压力

A

0~0.6MPA

B

0~1.0MPA

C

0~1.6MPA

D

0~2.5MPA

E

0~4.0MPA

F

0~6.4MPA

G

0~10MPA

H

0~16MPA

 

工艺条件

0

普通

1

防腐

2

防爆

3

高温

 

输出信号

A

无输出

B

4~20MA

C

RS485 MODBUS

供电电源

1

220V AC

2

24V DC


常见问题
资料查询
价格咨询
江苏华云仪表有限企业
销售电话:0517-86996066
企业传真:0517-86883033
手 机:18915186518
E-mail:[email protected]
企业地址:江苏省淮安市金湖县工业园同泰大道99号
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