热式质量流量计原理及概述

1、精品整理热式质量流量计原理及概述编辑：潘东升江苏瑞特仪表有限公司 2010-5-31）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TME热式质量流量计（以下简称加热体）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。年代中期销售量估万台。国内90销售金额约占流量仪表的 8%，约4.59020世纪年代初期，世界范围TMF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。计每年1000 1.原理和结构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1 ）热式流量仪表用得最多有两类，即。TMF （效应的

2、金氏定律 King s law）thenmal prohle flowmeter）曾称量热式 TMF;2）禾U用热消散（冷却）（流量计）。有些在使用intrusion type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（）。时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式（insertion typeTMF热分布式1.1薄壁测量所示，的工作原理如图1热分布式TMF外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组 3管供给恒 定热量，由恒流电源 5组成惠斯登电桥，2,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

3、，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qm,即 度差 T。便可按下式导出质量流 量J） （1cp 被测气体的定压比热容；式中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

4、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， 仪表岀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，流量超页脚内容.精品整理点则大量热量被带走。过 b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；除管外电所示。1阻丝绕组加热方式外还有利用管材本身电阻 加热方式，如表字形结构，三绕组中一组在中间加热，n测量管形状有直 管形，还有两组分绕两臂测量温度。1测量管加热和检测方式表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设计得D测量管内径为了获

5、得良好的线形输岀，必须保持层流流动，比值，流速低，流量小。为扩大仪 L很小而长度很长，即有很大 L/D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）以恒定比径还 常采用分流方式，在主管道内装层流阻流件（见图3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。按测量管内径分为细管型（也有称毛细管型）市场上热分布式TMF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，4mm径为；细管型测量管内径仅0.20.5mm。稍大者为0.81mm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

6、，结构如图 4所示。TMF 1.2基于金氏定律的浸入型金氏定律的热丝热散失率表述各参量间关系，如式所示。2）2（单位长度热散失率，H/L J/m?h;式中 T热丝高于自由流束的平均升高温度，K ; 入 流体的热导率，J/h?m?K; cV定容比热容，J/kg?k；3kg/m密度，p ;m/h; U流体的流速，m.d热丝直径，页脚内容.精品整理;另一细管经功T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 流温度增加，气流带走更多热量，p U高于气流温度，气体静止时 Tv最高，随着质量流速率恒定的电热加 热，其温度Tv。温度测量法” “这种方法称作“温度差测量法”或

7、温度下降，测得温度差T=Tv-T.便可算出质量流速，2?之间。从式所示比列关系，式中B, C, K均为常数，K在消耗功率P和温度差厶T如式34。qm,再将式3变换成式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r '''T|. ' '' '厂一 I ；4）（则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式4中E是与实际流动有关的常数。”。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“功率消耗测量法若保持T，260m/s）中偏高流速（气体可测量低流速（气体 0.022m/s）微小流

8、量；浸入式 TMF可测量低热分布式TMF更适合于大管径。插入式 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，TMF虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不大。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TMF 感器，组成简单，岀现故障概率小。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、NO、02、CO N2热分布式仪表用于 H2、即可；用于其他气体可用等单原子气体则乘系数1.4Ar、He用空气标定的仪表，实验证明差别仅 2%左右；用于 比热容换算，但偏差可能稍大些。气体

9、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。热式质量流量计响应慢。cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差。被测量气体组分变化较大的场所，因对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量。，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，TMF对于热分布式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、分类页脚内容.精品整理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。（有测量按流量传感 器结构可分为管的）接

10、入管道式和 插入式。按测量流体可分为气体和液 体用。主要应用的流TMF气体是当 前从微小流量到大管径大流量都体， 可使用。年代初90在20世纪液体用TMF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）致 PeltierTMF和利用珀尔帖（冷元件在 检测部位致冷（即附加。后者的测量 原理如TMF热）的流量传感器由测 量毛细所示，图6管、电子冷却装置（珀尔帖元件）测量管和和3各温度 检出件组成。无液体流动时冷却致冷 元件接触，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

11、。选用考虑要点5.应用概况5.1TMF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。石油化工微型反较多应用于半导工业外延扩散、热分布式仪表使用口径和流量均较小，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、燃气等气页脚内容.精品整理 在气体流量控制，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。分流型热分布式仪 表应用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。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，分流部分气于 3050mm体到流量传感器进行测量。年在环境保护和流程工业中应用发展迅速，例如；国外近10冷却效应的插入式 T

12、MF气配比控制，污水处理发生水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制，煤粉燃烧过程粉/大管道用还有径向分段排列多的气体流量测量，燃料电池工厂各种气体流量测量等等。和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排放总量。NOX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TMF液体微小流量药液配比系统定流量 配比控量测量，注入过程中控制流量；高压泵流量控制的反馈量；还有在色谱分析等仪器上供给工业流程 或商业销售。制；直接液化气液态计量后气化，TMF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 国内定型产品。流体种类和物性5.2气体

13、或液体，用气体的型号不能用于液体，反之-TMF只能用于测量清洁单相流体亦然。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、结制造厂还应给出接受的不清洁程TMF垢以及凝结物均将影响仪表性能。对于热分布式TMF用户可按此决定是在仪表前装过滤器。浸入式例如大部分给岀允许微粒粒度，度，能再不停流条件对清洁度要求低些，则可用于测量烟道气，但必须装有阀等 插入机构， 下去取岀检测头。流体的比热容和热导率(1)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TMF和式2可知，从式1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2数。若工作点压力温度远离

14、校准时压力温度，则必须在该工作点压力温度下调整。表列岀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/K温度压力/ MPa0.0010.1110空气300 4000.2400.2410.2440.2780.2420.2420.2440.260页脚内容.精品整理5000.2460.2460.2470.257Ar300 400 5000.1240.1250.1270.155氩气0.1240.1250.1250.1390.1240.1250.1250.133二氧化碳CO2300 400 5000.2020.2040.2200.3140.2240

15、.2250.2310.2720.2420.2430.246一氧化碳CO300 400 5000.2490.2490.2530.2850.2500.2500.2530.2720.2540.2540.2560.267CH4300 400 5000.54 0.600.55 0.610.65 0.64甲烷0.690.690.71N2300 400 5000.2490.2490.2520.285氮气0.2500.2500.2510.2680.2520.2520.2540.263O2300 400 5000.2200.2200.2230.259氧气0.2250.2250.2270.2430.2320.23

16、20.2230.243leal/(g?k)=4186.8J/(kg?K)注：流量值的换算 2 ()。热分布式(校准)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如实际使用工况有异或不用于同一气体，均可通过各自条件下比热容或换算系数换算。的数值可以看岀空气、氩气、一氧化碳、氮同一气体不同工况的流量换算从表2 1 )之气、氧气压力在1MPa以下变化，定压比热容变化仅在 400K1%2%以下、温度在因为同一气压力温度变换 较大时也可利用式间，大部分使用场所可不作换算；6计算，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) F不同气体间流量换算 有些制造厂的使

17、用说明书给岀以空气为基数的转 换系数66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可按式给岀若干气体按 摩尔定换算，但因还有热导率等其他因素，换算后精度要降低些。表3两者差别较压比热容直接计算和若干制造厂提供的两种转换系数数据，其中Freon12大。3表几种气体的转换系数气体名称化学式J/(moI.k)摩尔定压比热容F转换系数按cp值计算若干制造厂提供范围空气29.111页脚内容.精品整理氨NH337.30.7810.770.79二氧化碳CO236.60.7980.730.80一氧化碳CO29.11.0021.00甲烷CH435.40.8230.690.90乙烷C2H65

18、1.60.5650.480.56乙烯C2H442.20.690.560.69Freon 12CCI2F66.20.440.320.36氦HE20.91.391.371.43氩Ar20.91.391.391.43氢H228.61.0190.991.03氮N229.11.0031.001.02氧O229.20.9990.971.0020% 30%各厂提供的转换系数单双原子气体差别较小，仅百分之几；烃类气体则差别较大，达L/h (标准状态)；(6)(标准状态)；式中qm仪表标定的质量流量，但通常以标准状态体积流量表征,qm特使用气体的质量流量。L/hk); J/ (mol cP 标定气体的摩尔定压比

19、热容,通常为空气，oCP-待使用气体的摩尔定压比热容，J/ (mol - k)中各系数由各个检测元件几何形状和所测气体而定，和式(4)TMF浸入式由于式(3)所以目前通常只能在实际使用条件下个别校准。Fmix6进行，惟其转换系数 3)混合气体的换算的转换系数混合气体的换算亦按式为各成分气体的转换系 F1,F2,- FnV1,V2,-Vn为各成分气体体积的占有率；式中 数。3 ()流体中含有异相和低沸点液体气体用仪表，热分布式必须是清洁气体，不能有固相，浸入式则可允有微粒，但均 不得含有水气。测量液体时如混入气泡会产生测量误差。要带给流体一定热量，流体温度会升高，如所测 液体是低沸点液体，由于大

20、部分TMF 。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 表性能考虑页脚内容.精品整理流量范围、流速和范围度1）（的流量应以单位时间流过的质量来表示，但测量气体时习惯上亦常以计算到标准TMF状态下单位时间流过的体积表示。流速亦以标准状态下单位时间流过距离的长度表示。适用于低流速范围，特别是小口径热分 布式；带测量短管浸 TMF与其他流量计相比，最小上限流 /入检测杆式可选上限（满度）流速范围较宽， 上限范围度（最大上限流量之间。型）TH1200量）在1030 （型）和6080 （TH1300视之间，但较多用于360m/s插入式TMF的上限流速选择范围较宽，可在0.5100

21、m/s, TMF适用于低流速烟道气测量。仪表结构设计而异。插入式数量级1102g/min10 液体用TMF的上限流量很小，国外现有产品上限流量范围在之间。之间；流量范围度在 10:150:12）精确度和重复性（之间。国外设）%FS具有中等测量精确度。热分布式的基本误差通常在±（22.5TMF之间。，重复性则在0.2%0.5%FS计优良的产品则有较高精确度，基本误差为土1%FSo± 2%R%之间，设计优良的产品可达带测量短管浸入式的基本误差相仿，亦在±（22.5）单点测量影响较大，还应加上流速分布系数变化影响等，插入式除仪表本身基本误差外，之间。2.55） %FS多

22、点或多检测杆则影响较小，合计约在±（有制造厂在正常流速分布流动状况插入式仪表检测的点数视流通面积和流动状况而定，为双点，200300mm下，推荐检测点数为：；圆管直径在200mm以下为单位单点，0.05m2点。矩形管面积以上为 6为5点，1250mm7501200350700mm为34点，1220为点。点，2.5m2以上为412以下为单点，0.10.2m2为 24 点，0.22.5mm2 为响应性3）（，0.5s，响应较快者为TMF在流量仪表中的响应时间是比较长的，时间常数一般为25s若应用于控制系统不能选用响应时间长的仪有些型号长达数秒、十几秒甚至几十秒者。表。流体温度，环境温度和

23、环境温度影响量）（4，应用于窑炉或烟道的高温高一101200C0500C，范围较宽者为流体使用温度一般为）。加热热源温度高于气体数十度（粉尘型则可高达5500CK流量，（体积）不像体积流量仪表那样气体体积变化改变所测测量气体时流体温度变化，页脚内容.精品整理并不影响质量流量，然而如前文所述若温度变化过大，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、氢气等影响量不大；但有些气体例如）此（见表2升高到400K定压比热容要增加11.1%甲烷压力在0.1MPa，温度从300K外还有零点偏移影响。o环境温度激烈变化将影响。 较宽者为（一10 +80）0C环境温度适用范围通常为

24、（050）0C环境温度影响量一 导致测量值的变化，包括零点偏移和量程变化。经外壳散失的热量，（0.51.5）%/10K，但也有一些制造厂声称无环境温度影响。般为土压力损失5）（以下，其中带10kpa气体用仪表压力损失很小，满量程流量时热分布式压力损失均在型仅数十帕；浸LDG-2DB层流分流部件（或无分流部件）的小管型，如LDG-1DB、 入式亦仅数十帕。安装姿势（方向）6.1垂直或倾斜）的流量传感器可任何姿势（水平、热分布式大部分热分布式TMF）1然而有些型号有些仪表只要安装好后在工作条件压力、温度下作电气零点调整。安装，仪表对安装姿势具有敏感性，大部分制造厂会对此就安装姿势影响和安装要求作出说土20只能水平安装，水平度允差。LDG-明。例如口 DB系列为减少环境气氛对流传热影响， 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）浸入式大部分浸入式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量，必须遵循制造厂依据仪表设计 结构而定的安装建议。6