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热式质量流量计测量原理及选型

时间:2017/12/07来源:未知

摘要:主要先容了热式质量流量计的测量原理、技术分类、主要特点和安装要求,以及热式质量流量计在实际工程应用中热式探头的选型。

引言:
  随着科技的发展进步,热式质量流量计基于其优良的性能特点和指标,越来越多地应用到大多数气体及微小流量液体测量中来。热质式气体质量流量计常用于单一组分的气体或固定比例的混合气体测量,与传统的体积流量检测装置相比,不需要温度传感器,压力传感器和计算单元等,没有可动部件,可靠性高。液体用质量流量计在20世纪90年代初中期开始发展并在工业生产中应用,当前主要为微小流量仪表。液体微小流量质量流量计广泛应用于化学、石油化工、食品等领域的流程工业实验性装置中。

1、测量原理:
   热式质量流量计(以下简称“TM F")是利用热传导原理,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)之间进行热量交换关系来测量介质流量的仪表。热式流量仪表用得***多的有两类,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,也称量热式TMF;  
 (2)利用热消散效应(基于金氏定律)的浸入式质量流量计,也称导热式TMF。有些在使用时需要插入工艺管内进行测量,故也称作插入式质量流量计。

1. 1、热分布式TMF:
   热分布式质量流量计的工作原理如图1所示,薄壁测量管(图中3)外壁绕着两组线圈匝数相同的用作加热器和检测元件的绕组RR3(图中2),和电路中定值电阻Rz,R、组成惠斯通电桥,由恒流电源(图中们供给恒定热量,通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。边界层内热传递可以看作热传导方式实现的。当被测流体流量为零时,测量管上的温度分布如图2中虚线所示,两组线圈所传导的热量相同,故而测量管中温度分布呈中心对称形式,由线圈和电阻组成的电桥处于平衡状态,图中灵敏电流表示数为;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,可求得两组线圈平均温度差△T。便可按下式导出质量
流量传感器;2绕组线圈;3测量管;通恒流电源    图1热分布式质量流量计工作原理
流量传感器;2绕组线圈;3测量管;通恒流电源    图1热分布式质量流量计工作原理
图2测量管温度分布

图2测量管温度分布
  流量v.n,即9.n一K全DT 式中K为仪表常数;A为测量管绕组与周围环境热交换系统之间的热传导系数;为被测气体的定压比热容,J/(kg.°C)。   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。当使用于流量在某一特定范围的流体时,则A,。。均视为常量,则质量流量仅与绕组平均温度差成正比,如图3中oa段所示。
图3质量流量与绕组温度关系

图3质量流量与绕组温度关系
    oa段为仪表正常测量范围,此时,仪表出日处流体不带走热量,或者说带走极少热量;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。

1. 2、基于金氏定律的浸入型TMF:
  金氏定律的热妊热散失率表述各参量间关系如
散失率表述各参量间关系
式中H/1,为单位长度热散失率,J/(m " h);pT为热妊高于自由流束的平均升高温度;二为流体的流速,m/h; d为热妊直径,m;c,为定容比热容,J/(kg " K> ;p为流体密度,kg/m3 ;、为流体的热导率,J/(hm·K)。    典型的浸入式TMF测量原理如图1所示,在气流通道中放置热线探头RH和补偿电阻R,热线探头经功率恒定的电热加热,其温度T.,,高于流体温度,气体静止时,在稳定的流场中形成平衡电桥;当气流通过传感器时,热线被冷却,电阻减小,电桥失去平衡。通过集成运算放大器组成的反馈电路会自动增加供给热线的电流IH,使热线探头恢复到原来温度和电阻值,从而恢复电桥平衡。一般情况下,热线与流体温差小于300 0C,气体静止时T.,,***高,随着质量流速p.,,增加,气流带走更多热量,温度下降,测得温度差△T=巩,一T0    根据热平衡原理,电流流过(热电阻)所产生的热量等于流体流过所带走的热量,从而可以得到热电阻单位时间内消耗功率尸和温度差△T如下式所示
图4 通浸入型TMF测量原理

图4 通浸入型TMF测量原理

式(2)通过变换可得 P/DT一、+E g ,合式中E为与流体物理性质有关的系数。
   (3)若保持DT恒定,则控制加热功率P随着流量}I.n增加而增力日。    在流体为液体情况下,如果对液体加热,会产生一些问题,如:在微小流量范围内,液体受热容易汽化,产生气泡;受热时,存在于液体中的气体逸散出来,形成气泡,使测量引入噪声或使灵敏度变化等。采用与加热相对的方法,即对液体进行冷却,可以克服加热液体所产生的问题。这种制冷型热式液体质量流量计克服了差压式、电磁式流量计不能测量微小流量的缺点,而且压损小,对管道分布不敏感,通常没有上下游直管段长度要求。因此十分适用于当代精细化工、医药食品等流程工业试验性装置及汽化液体等流量测量中。

2、热式探头的选型:
     对于浸入式流量计探头,有很多种型式,适用于各种应用场合。
    ***简单的探头形式就是一段直径非常微小的圆柱体金属线,安装在一个微型支架上,如图5(a)所示,实验室用的热线风速仪就是这种形式,其直径一般只有2~5um,长度只有毫米量级,电阻只有几欧姆,由于探头比较娇贵,一般只用于实验室场合,对流速变化的反应非常灵敏。
    图5(b>的结构有较高的灵敏度,完全能满足一般的工程测量,但在强度和稳定性上始终存在问题;图5(c)能较好地解决该矛盾,于是近几年在空气流量检测中得到了较广泛的应用。在陶瓷基片上沉积加热电阻和补偿电阻的组合铂膜探头如图5(d)所示,由于它使补偿电阻和加热电阻处于同场中,而且位置确定,能高能耗地补偿流体温度变化带来的影响,故在气体流速测量和工业管道气体流量测量中正逐步得到广泛应用。
    铂膜探头由于存在一个陶瓷基片,外形尺寸较大,使得热膜探头有一定重量,在气流中不易固定而引起信号输出的变化,而且由于基片有一定厚度和体积,使得探头热容量增加,相应速度下降,反应不够灵敏,致在某些特殊场合不能满足动态相应的要求。然而,图5(e)和5(f)的结构却可以解决该问题。图5(e)是将热线做在一张极薄的软胶片上,然后将软胶片用边框固定在流道中;图5 (f)在一个直径很小的圆柱基体上做热膜或热线,两端引线,很容易固定在流道中,这些结构都可以解决探头的固定问题和动态响应问题。
    用半导体工艺研制的微型热式流量传感器如图5(g)所示,在基片上继承一个微型加热器,在微型加热器上下游对称位置设置测温装置,由于流体流动造成上下游温度呈对称分布,在远离加热器上游设置的测温装置测量流体温度,整个探头的加热测量部件被限制在一个非常小的尺度内,对流动的响应很敏感,这种探头已经被广泛应用于汽车空气流量测量控制中。

图5热式探头的形式
图5热式探头的形式
    应用于工业管道的热式流量传感器如图5(h)所示,传感器速度探头与温度探头都由铂电阻组成,有坚固的保护外壳,铂妊不直接与流体接触,所以应用较广。

3、主要特点:
   (1)高度、高重复性    对于d=0. 025 mm的热线测量常温空气的场合,利用式(1),(2)计算可知,流体流速界限值约为0. 075 m/s,这是一个非常小的气体流速,对于浸入式TMF,实际使用时流速一般都大于此值,因而,可实现高精度测量。TMF使用性能相对可靠,与推导式质量流量仪表相比,不需要温压补偿,组成简单,性能可靠,重复性一般为0. 0500~0. 0800 。
   (2)量程比高:***大测量范围可达20:1(液体)或气体(100,1)。
   (3)结构多样:有管道式和插入式两种安装形式,安装灵活,拆卸方便,使用简单,可适用于高温场合和腐蚀性环境中。
 (4)钧标定方便:除可采用标准装置检定外,还可采用干式标定法,即采用祛码挂重法,单键操作即可完成标定;  
   (5)抗干扰,抗杂质能力强,压力损失小,小日径仅为标准孔板的1/2左右,DN100以上压力损失开始大幅度减少。

4、应用范围:
  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。
   热分布式流量计使用日径和流量均较小,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氢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。
   冷却效应的插入式TMF国外近十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SOz和N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月巨。

5、安装要求:
   (1)流量计可以再水平、垂直或倾斜管道上安装,在管道圆周向上可以任意角度安装,但要考虑操作和维护的方便。对于较脏或者潮湿的气体,为了减少对传感器污染的可能性,一般建议水平(向上)安装。传感器的安装位置要避开管道较低处,防止管道内积水使流量计无法正常工作。
    (2)直管段要求前5倍D,后3倍D。当安装气体整流器或者气流速度低于30 m/s时,可以前3倍D,后2倍D。
    (3)防爆区域禁用明火或者不可焊接材质的管道,可以采用专用卡具,将传感器固定在管道上,防爆区域用手动钻打孔,安全区域用电动钻孔工具。
 (4)钧传感器外壳上的箭头指向要与气体流动方向相同,传感器的插入方向与气体流动方向垂直。
   (5)传感器插入深度    当管内径Dn≤200mm时,传感器插入到圆心。当管径DN>2000mm时,传感器插入深度为1 m。
   (6)转换器安装在室外时,需加装仪表保护箱,避免雨淋、日晒。
   (7)禁止安装在强烈振动的场合。

6、结束语:
   近十多年来,热式质量流量计结合现代微电子新技术新工艺不断推陈出新,开发出一系列新产品,迅速在工业和实验性等其他流量计难以胜任的测量条件和环境下得到成功应用。

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