热式质量流量计原理及概述之欧阳科创编

1、欧阳科创编2021.02.05热式质量流量计原理及概创作：欧阳科时间：2021.02.052010-5-31江苏瑞特仪表有限公司编辑:潘东升热式质虽流量计(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农，过去我国习称虽热式流量计。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衣的8%,约4.5万台。国内90年代中期销售量估计每年1000台 左右。过去流程工业用仪农主要是热分布式，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农用得最参有两类，即1)利用流动流体传递热量改变测

2、量管壁温度分布的热传导分布效应的热分布 式流量计(thenmal prohle flowmeter)曾称量热式TMF:2)利用热消散(冷却)效应的金氏定彳社(King s law) TMFo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衣称作插入式(insertion type)。1.1热分布式TMF厂二二二二二匸厂二"1测量管轴向温度分布因1热分布式TW工作原理热分布式TMF的工作原理如图1所示，薄壁测 虽管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

3、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，相对于测虽管中心的 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 虽带给下游，导致温度分布变化如实线所示，由 电桥测汕两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈 平均温度差便可按下式导出质量流量qm, 即aq/K 'TCp (1)式中cp.一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仪衣常数。D2质量流量与绕蛆溫度关系在总的热传导系数A

4、中，因测量管壁很薄且具有相对较高热导率， 仪农制成后其值不变，閃此A的变化可简化认为主要是流体边界层 热导率的变化。当使用于某特定范圉的流体时，则A、cp均视为 常虽，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段为仪衣正常测量范围，仪衣出口处流体不带走热量，或者说带 走热量极微；超过a点流量增人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。测量管加热方式人部分产品采用两绕组或三绕组线绕电阻：除管外电 阻统绕组加热方式外还有利用管材本身电阻加热方式，如农I所示。 测量管形状有直管形，还有H字形结构，三绕组中组在中间加热， 两组分绕两臂测量温度。农1测量管加热

5、和检测方式方式感应加热热电偶两绕组电阻线三绕组电阻丝结构rrrLJr甲 LL111.!*R-Jnn it 卫Ti3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，测虽管内径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 人仪农流虽，还可采用在管道内装管束等层流阻流件：扩人更大流量 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虽传感部件。有些型号仪农也有用文丘里喷 嘴等代替层流阻流件。甸3分流式TMF主流道：2分流道：3流量传感器；4一层流阻流件市场上热分布式TMF按测量

6、管内径分为细管型（也有称毛细管型）和小型两大类，结构上有较人区别。小型测量管仪衣只有直管型，内 径为4mm；细管型测量管内径仅0.20.5mm。稍大者为0.8-1 mm, 极容易堵塞，只适用于净化无尘气体。细管型仪农还有种带有调节 单元和控制阀等组成体的热式质量流量控制器，结构如图4所示。1.2展于金氏定律的浸入型TMF金氏定律的热丝热散失率衣述各参量间关系，如式2所示。式中H/L单位长度热散失率，J/m-h;AT热丝高于自由流束的平均升高温度，K： X流体的热导率.J/hmK;cV定容比热容，J，kgk:p密度，kg/n?;U流体的流速» m/h:d热丝直径,电源部f 二流屋指示计

7、号比较控制电路CFU电路滴算电路输出DC420rrAm.欧阳科创编2021.02.05层縣件疣速厂金劇质星流星传感器控制阀閣4热式质星流星计控制器示意閣国5浸入型TMIF原理毛细管热电阻如图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.热电阻测得气流温度另细管经功 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pU增加，气流带走更多热 量，温度下降，测得温度差AT=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AT如 式3所示比列关系，式中B.CK均为常数，K在?之间。从式2便可算岀质量流速，乘上点流速于管道平均流 速间系数和流通

8、而积的质量流量qm,再将式3变换成式4o戸二 3 +（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AT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 爭法“。2、优点热分布式TMF可测量低流速（气体0.022m/s）微小流量；浸入式TMF可测量低中偏高流速（气体260m/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衣无阻流件，压力损失很小；带分流管的 热分布式仪农和浸入性仪农，虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不人。TMF使用性能相对可靠。与推导

9、 式质量流量仪衣相比，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。热分布式仪衣用于H2、N2、02、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衣，实验证明差别仅2%左右；用于Ar、He等单原了气体则乘系数1.4即可：用于其他气体 可用比热容换算，但偏差可能稍人些。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人的变 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人的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较人变化而产生谋 差。对小流量而言，仪农会给被测气体带来相当热量。对于热分布式TM

10、F,被测气体若在管壁沉积垢层影响测量 值，必须定期淸洗；对细管型仪衣更有易堵塞的缺点，般情况下不能使用。对脉动流在使用上将受到限制。液 簣用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。按检测变虽可分为温度测虽法和 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。液体 毛细管 T彦6制冷型液体TMF原理气体是当前TMF主要应用的流 体，从微小流量到人管径人流量 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

11、量仪 农。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，流虽传感器由测量 毛细管、电了冷却装置（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应用槪况TMF目前绝人部分用于测量气体，只有少量用于测量微小液体流量。热分布式仪衣使用口径和流量均较小，较参应用于半导工业外延扩散、石油化工微型 反应装置、镀膜匚艺、光导纤维制造、热

12、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氨蒸发等累积量和阀门制造中泄漏量的测虽 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 式仪衣应用于3050mm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虽。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： 水泥匚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 的气体流量测虽，燃料电池工厂各种气体流量测虽等等。人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

13、气监测SO2 和NOX排放总此液体微小流TMF应用于化学、石油化工、食品等流程匸业实验性装置，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；庖接液化气液态计虽后气化，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虽测量。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只能用于测虽清洁单相流体-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农性能。对于热分布式TMF制造厂还应给岀接受的不淸

14、洁 程度，例如人部分给出允许微粒粒度，用户可按此决定是在仪衣前装过滤器。浸入式 TMF对淸洁度要求低些，则可用于测虽烟道气，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、压力变化范围不人，仅在工作点附近波动，比热容变化不人，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。衣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。农2几种气体定压比热容cal'(g*K)种类温度/K压力/MPa0.0010.11103000.

15、2400.2410.2440.278空气4000.2420.2420.2440.2605000.2460.2460.2470.2573000.1240.1250.1270.155氟气4000240.1250.1250.1395000.1240.1250.1250.133二氧化碳3000.2020.2040.2204000.2240.2250.2310.314CO25000.2420.2430.2460.272氧化碳3000.2490.2490.2530.285co4000.2500.2500.2530.2725000.2540.2540.2560.267300-0.540.550.65甲烷CH

16、44000.600.610.64500-0.690.690.713000.2490.2490.2520.285氮气N24000.2500.2500.2510.2685000.2520.2520.2540.2633000.2200.2200.2230.259氧气024000.2250.2250.2270.2435000.2320.2320.2230.243注:IcaL (g*k)=41S6.8J/ (kg*K)(2) 流量值的换算热分布式TMF制造厂通常用空气或氮气在略高于常压的室温工况条件下标定(校 准)。如实际使用工况有异或不用于同-气体，均可通过各自条件下比热容或换算系 数换算。1) 同气

17、体不同工况的流量换算从衣2的数值可以看出空气、氮气、氧化碳、氮 气、氧气压力在IMP"以下、温度在400K以下变化，定压比热容变化仅在1%2%之 间，人部分使用场所可不作换算；压力温度变换较人时也可利用式6计算，因为同- 气体两种工况条件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）不同气体间流量换算有些制造厂的使用说明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）气体和实际使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因素，换算后精度要降低些。衣3给出若干气体按摩尔 定压比热容自接计算和若干制造厂捉供的两种转换系数数据，其中Freon 12

18、两者差别 较大。衣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值计算若干制造厂 提供范围空气29.111氨NH337.317810.77-0.79二氧化碳CO236.60.7980.73-0.80氧化碳CO29.11.0021.00甲烷CH435.40.8230.69-0.90乙烷C2H651.615650.48-0.56乙烯C2H442.2D.690.56-0.69Freon 12CCI2F66.23.440.32-0.36氨HE20.91.39137-1.43氨Ar20.91.39139-1.43氢H228.61.0190.99-1.03氮N229.1

19、1.0031.00-1.02氧0229.20.9990.97-1.00各厂捉供的转换系数单双原/气体差别较小，仅百分之几；炷类气体则差别较人，达20% 30%。式中qm仪衣标定的质量流量，但通常以标准状态体积流量农征，L/h （标准状 态）；qnf特使用气体的质量流量。L/h （标准状态）：cP标定气体的摩尔定压比热容，通常为空气，j/（mol k）;c"P待使用气体的摩尔定压比热容,J/ （mol k）o浸入式TMF由于式（3）和式（4）中各系数由各个检测元件几何形状和所测气体而 定，所以目前通常只能在实际使用条件下个别校准。3）混合气体的换算的转换系数混合气体的换算亦按式6进行，

20、惟其转换系数Fmix按 式7合成式中V1.V2,-Vn为各成分气体体积的占有率；FI.F2,Fn为各成分气体的转换系 数。（3）流体中含有异和和低沸点液体气体用仪衣，热分布式必须是淸洁气体，不能有固相，浸入式则可允有微粒，但均不 得含有水气。测虽液体时如混入气泡会产生测虽误差。由于人部分TMF要带给流体淀热量，流体温度会升高，如所测液体是低沸点液体， 应考虑液体汽化气化问题，必要是时选用致冷元件的TMF。5.3仪农性能考虑（1）流量范围、流速和范围度TMF的流虽应以单位时间流过的质量来农示，但测量气体时习惯上亦常以计算到标准 状态下单位时间流过的体积农示。流速亦以标准状态下单位时间流过距离的长

21、度衣 示。与其他流量计相比，TMF适用于低流速范圉，特别是小口径热分布式：带测量短 管浸入检测杆式可选上限（满度）流速范圉较宽，上限范圉度（最人上限流虽/最小上 限流量）在 1030 （TH 1200 型和 60 80（TH 1300 型）之间。插入式TMF的上限流速选择范用较宽，可在0.510（）m/s,但较多用于360m/s之间，视 仪农结构设计而异。插入式TMF适用于低流速烟道气测量。液体用TMF的上限流量很小，国外现有产品上限流量范圉在10l102g/min数量级 之间：流量范围度在10:1-50:1之间。（2）精确度和重复性TMF具有中等测量精确度。热分布式的基本谋差通常在土 （2-

22、2.5） %FS之间。国外设 计优良的产品则有较崗持确度，基本误差为±1%FS,重复性则在0.2%0.5%FS之间。 带测量短管浸入式的基本误差相仿，亦在土（2-2.5） %之间，设计优良的产品可达 ±2%RO插入式除仪衣本身基本谋差外，还应加上流速分布系数变化影响等，单点测量 影响较大，多点或多检测杆则影响较小，合计约在土（2.55，FS之间。插入式仪农检测的点数视流通面积和流动状况而定，有制造厂在正常流速分布流动状 况下，推荐检测点数为：圆管宜径在200mm以下为单位单点，200300mm为双 点,350700mm为34点，750-1200为5点,1250mm以上为6点

23、。矩形管面积 0.05m2以下为单点，00.2m2为24点，0.22.5mm2为412点，2.5m2以上为 12-20为点。（3）响应性在流虽仪农中TMF的响应时间是比较长的，时间常数般为25s,响应较快者为 0.5s,有些型号长达数秒、十几秒甚至几十秒者。若应用于控制系统不能选用响应时间 长的仪衣。（4）流体温度，环境温度和环境温度影响量流体使用温度般为0-500C.范圉较宽者为一 101200C,应用于窑炉或烟道的高温高 粉尘型则可高达55OOC。加热热源温度高于气体数十度（K） o测量气体时流体温度变化，不像体积流虽仪衣那样气体体积变化改变所测（体积）流 量，并不影响质虽流量，然而如前文

24、所述若温度变化过人，比热容的变化会导致量程 变化。这种影响因气体种类而异，如空气、氮气、氧气、氢气等影响量不人：但有些 气体例如甲烷压力在0.1 MPa,温度从300K升高到400K定压比热容要增加11.1% （见 农2）此外还有零点偏移影响。环境温度适用范圉通常为（050）0C。较宽者为（一10十80）06环境温度激烈变化将影 响经外壳散失的热量，导致测量值的变化，包括零点偏移和虽程变化。环境温度影响 量般为±（0.51.5）%/10K,但也有些制造厂声称无环境温度影响。（5）压力损失气体用仪农压力损失很小，满虽程流量时热分布式压力损失均在lOkpa以下，其中带 层流分流部件（或无

25、分流部件）的小管型，如LDG-1DB、LDG-2DB型仅数十帕；浸 入式亦仅数十帕。6、安装使用注意事项6安装姿势（方向）1）热分布式人部分热分布式TMF的流虽传感器可任何姿势（水平、垂直或倾斜） 安装，有些仪衣只要安装好后在匸作条件压力、温度下作电气零点调整。然而有些型 号仪衣对安装姿势具有敬感性，人部分制造厂会对此就安装姿势影响和安装要求作出 说明。例如LDG-nDB系列为减少环境气氛对流传热影响，只能水平安装，水平度允 差±20。应用于高压气体时流量传感器则宁可选择水平安装，因为这样便于做到调零的 零偏置。2）浸入式人部分浸入式TMF性能不受安装姿势影响。然而在低流速测量时因受管道 内气体对流的热流影响，使安装姿势显得重要。因此在低和非常低流速流动时要获得 精确测虽，必须遵循制造厂依据仪衣设计结构而定的安装建议。6.2前置