热式质量流量计原理及概述
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热式质量流量计道理及概述
2010-5-31 江苏瑞特内心有限公司 编辑：潘东升
热式质量流量计（以下简称TME）是运用传热道理,即流淌中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加热体）之间热量交流关系来测量流量的内心,曩昔我国习称量热式流量计.当前重要用于测量气体.20世纪90年月初期,世界规模TMF发卖金额约占流量内心的8%,约4.5万台.国内90年月中期发卖量估量每年1000台阁下.曩昔流程工业用内心主如果热散布式,近几年才开辟烧散（或冷却）效应式.
1. 道理和构造
热散布式TMF的工作道理如图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,构成惠斯登电桥,由恒流电源5供应恒定热量,经由过程线圈绝缘层.管壁.流体鸿沟层传导热量给管内流体.鸿沟层内热的传递可以看作热传导方法实现的.在流量为零时,测量管上的温度散布如图下部虚线所示,相对于测量管中间的高低游是对称的,由线圈和电阻构成的电桥处于均衡状况;当流体流淌时,流体将上游的部分热量带给下流,导致温度散布变更如实线所示,由电桥测出两组线圈电阻值的变更,求得两组线圈平均温度差ΔT.即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（即加热体系）与四周情形热交流体系之间的热传导系数;K -------内心常数.
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,内心制成后其值不变,是以A的变更可简化以为主如果流体鸿沟层热导率的变更.当运用于某一特定规模的流体时,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段为内心正常测量规模,内心出口处流体不带走热量,或者说带走热量极微;超出a点流量增大到有部分热量被带走而呈现非线性,流量超出b点则大量热量被带走.
测量管加热方法大部分产品采取两绕组或三绕组线绕电阻;除管外电阻丝绕组加热方法外还有运用管材本身电阻加热方法,如表1所示.测量管外形有直管形,还有∏字形构造,三绕组中一组在中央加热,两组分 绕两臂测量温度.
表 1 测量管加热和检测方法
方 式 感应加热热电偶 两绕组电阻丝 三绕组电阻丝
构造
检测元件 热电偶 热电阻丝 热电阻丝
加热方法 测量管焦耳热 本身加热 中央绕组加热
为了获得优越的线形输出,必须保持层流流淌,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.为扩展内心流量,还可采取在管道内装牵制等层流阻流件;扩展更大流量和口径还常采取分流方法,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.有些型号内心也有效文丘里喷嘴等代替层流阻流件.
市场上热散布式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,构造上有较大差别.小型测量管内心只有直管型,内径为4mm;细管型测量管内径仅0.2~0.5mm.稍大者为0.8~1mm,极轻易堵塞,只实用于净化无尘气体.细管型内心还有一种带有调节单元和掌握阀等构成一体的热式质量流量掌握器,构造如图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掉率表述各参量间关系,如式2所示.
（2）
式中 H/L -------单位长度热散掉率,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）分离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,跟着质量流速ρU增长,气流带走更多热量,温度降低,测得温度差ΔT=Tv-T.这种办法称作“温度差测量法”或“温度测量法”.消费功率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即可算出质量流速,乘上点流速于管道平均流速间系数和流畅面积的质量流量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,假如气体成分和物性恒定章视为常数.D则是与现实流淌有关的常数.若保持ΔT恒定,掌握加热功率跟着流量增长而增长功率,这种办法称作“功率消费测量法”.
2. 优 点
热散布式TMF可测量低流速（气体0.02~2m/s）渺小流量;浸入式TMF可测量低~中偏高流速(气体2~60m/s),拔出式TMF更合适于大管径.TMF无运动部件,无分流管的热散布式内心无阻流件,压力损掉很小;带分流管的热散布式内心和浸入性内心,虽在测量管道中置有阻流件,但压力损掉也不大.TMF运用机能相对靠得住.与推导式质量流量内心比拟,不需温度传感器,压力传感器和盘算单元等,仅有流量传感器,构成简略,消失故障概率小. 热散布式内心用于H2 .N2 .O2.CO .NO等接近幻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内心,试验证实不同仅2%阁下;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,但误差可能稍大些.气体的比热容会跟着压力温度而变,但在所运用的温度压力邻近不大的变更可视为常数.
3. 缺 点
热式质量流量计响应慢.被测量气体组分变更较大的场合,因cp值和热导率变更,测量值会有较大变更而产生误差.对小流量而言,内心会给被测气体带来相当热量.对于热散布式TMF,被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值,必须按期清洗;对细管型内心更有易堵塞的缺陷,一般情形下不克不及运用.对脉动流在运用大将受到限制.液体用TMF对于粘性液体在运用上亦受到限制.
4. 分 类
按流体对检测元件热源的热量感化可分为热量传递转移效应和热量消失效应或冷却效应.
按检测变量可分为温度测量法和功率消费测量法.
按流量传感器构造可分为（有测量管的）接入管道式和拔出式.
按测量流体可分为气体和液体用.
气体是当前TMF重要运用的流体,从渺小流量到大管径大流量都可运用.
液体用TMF 在20世纪90年月初中期开端成长并在工业临盆中运用,但当前重要为渺小流量内心.有消费功率测量法的热散布式TMF和运用珀尔帖（ Peltier）致冷元件在检测部位致冷（即附加热）的TMF.后者的测量道理如图6所示,流量传感器由测量毛细管.电子冷却装配（珀尔帖元件）和3各温度检出件构成.测量管和致冷元件接触,无液体流淌时冷却到某一温度时,两者温度相等;液体流淌时致冷元件邻近测量毛细管温度上升,如虚线所示散布,测量温度检测点的两者温度差以求的流量.
5. 选用斟酌要点
5.1 运用概况
TMF今朝绝大部分用于测量气体,只有少量用于测量渺小液体流量.
热散布式内心运用口径和流量均较小,较多运用于半导工业外延集中.石油化工微型反响装配.镀膜工艺.光导纤维制作.热处理淬火炉等各类场合的氢.氧.氨.燃气等气体流量掌握,以及固体致冷中固体氩蒸发等累积量和阀门制作中泄露量的测量等.在气体色谱仪和蔼体剖析仪等剖析仪器上,用于监控取样气体量.分流型热散布式内心运用于30~50mm以上管径时,平日在主流管道上装孔板等撙节装配或均速管,分流部分气体到流量传感器进行测量.
冷却效应的拔出式TMF国外近10年在情形呵护和流程工业中运用成长敏捷,例如;水泥工业竖式磨粉机排放热气流量掌握,煤粉燃烧进程粉/气配比掌握,污水处理产生的气体流量测量,燃料电池工场各类气体流量测量等等.大管道用还有径向分段分列多组检测元件构成的拔出检测杆,运用于汽锅进风量掌握以及烟囱烟道排气监测SO2和NOX排放总量.
液体渺小流量TMF运用于化学.石油化工.食物等流程工业试验性装配,如液化气流量测量,注入进程中掌握流量;高压泵流量掌握的反馈量;药液配比体系定流量配比掌握;直接液化气液态计量后气化,供应工业流程或贸易发卖.还有在色谱剖析等仪器上用作定量液取样掌握以及用于动物试验麻醉液流量测量.还未见到液体渺小流量TMF国内定型产品.
5.2流体种类和物性
TMF只能用于测量干净单相流体------气体或液体,用气体的型号不克不及用于液体,反之亦然.对于热散布式气体还必须是湿润气体,不克不及含有湿气.流体可能产生的沉积.结垢以及凝聚物均将影响内心机能.对于热散布式TMF制作厂还应给出接收的不干净程度,例如大部分给出许可微粒粒度,用户可按此决议是在内心前装过滤器.浸入式TMF对干净度请求低些,则可用于测量烟道气,但必须装有阀等拔出机构,能再不断流前提下去掏出检测头.
（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干测量精确.被测介质工况温度.压力变更规模不大,仅在工作点邻近摇动,比热容变更不大,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剂.表2列出几种气体在不合压力温度下的定压比热容,可看到其变更程度.
表2 几种气体定压比热容 cal/(g•K)
种类 温度/K 压 力 / MPa
1 10 空气 300
400
500
氩气Ar 300
400
500
二氧化碳
CO2 300
400
500
一氧化碳
CO 300
400
500
甲烷CH4 300
400
500 ----
----
----
氮气N2 300
400
500
氧气O2 300
400
500
注： 1cal/ (g•k)=4186.8J/ (kg•K)
（2） 流量值的换算
热散布式TMF制作厂通经常运用空气或氮气在略高于常压的室温工况前提下标定（校准）.如现实运用工况有异或不必于统一气体,均可经由过程各自前提下比热容或换算系数换算.
1） 统一气体不合工况的流量换算 从表2的数值可以看出空气.氩气.一氧化碳.氮气.氧气压力在1MPa以下.温度在400K以下变更,定压比热容变更仅在1%~2%之间,大部分运用处合可不作换算;压力温度变换较大时也可运用式6盘算,因为统一气体两种工况前提下定压比热容的比值与摩尔定压比热容的比值是相等的.
2） 不合气体间流量换算 有些制作厂的运用解释书给出以空气为基数的转换系数F,可按式6换算;也可直接以标定（校准）气体和现实运用气体的摩尔定压比热按式6换算,但因还有热导率等其他身分,换算后精度要降低些.表3给出若干气体按摩尔定压比热容直接盘算和若干制作厂供给的两种转换系数数据,个中Freon12两者不同较大.
表3 几种气体的转换系数
气体名称 化学式 摩尔定压比热容J/(moI.k) 转换系数 F
按cp值盘算 若干制作厂
