热式质量流量计原理及概述.docx

1、热式质量流量计原理及概述精品整理 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4.590 20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

2、表用得最多有两类，即。TMF（效应的金氏定律King s Iaw）thenmaI prohIe fIowmeter）曾称量热式TMF;2)利用热消散（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 type TMF 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

3、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 ）（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、

4、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段为仪表正常测量范围，仪表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，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

5、加热 中间绕组加热 设计得D测量管内径为了获得良好的线形输出，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

6、阀等组成一体的热式质量流量控制器，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； - 流体的热导率，J/h?m?K; cV-定容比热容，J/kg?k;3kg/m密度，-; 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，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

7、度测量法”“这种方法称作“温度差测量法”或温度下降，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T如式3 4。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 ）（3 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 点 优 2、 ，260m/s)中偏高流速(气体可测量低流速（气体0.022m/s）微小流量；浸入式TMF可测量低热分

8、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，出现故障概率小。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、O2、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。 气体的比热容会随着压力温度而变，但

9、在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数。 点 3、缺 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

10、的）接入管道式和插入式。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。 选用考虑要点5

11、. 应用概况5.1 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。 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TMF气配比控制

12、，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 气体或液体，用气体

13、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出允许微粒粒度，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， 下去取出检测头。 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校准时压力温

14、度，则必须在该工作点压力温度下调整。表 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。 表2 几种气体定压比热容 cal/(g?K) 种类 /K 温度压 力 / MPa 0.001 0.1 1 10 空气300 400 0.240 0.242 0.241 0.242 0.244 0.244 0.278 0.260 页脚内容精品整理 500 0.246 0.246 0.247 0.257 Ar 氩气300 400 500 0.124 0.124 0.124 0.125 0.125 0.125 0.127 0.125 0.125 0.155 0.139 0.133 二氧化碳CO2 3

15、00 400 500 0.202 0.224 0.242 0.204 0.225 0.243 0.220 0.231 0.246 - 0.314 0.272 一氧化碳CO 300 400 500 0.249 0.250 0.254 0.249 0.250 0.254 0.253 0.253 0.256 0.285 0.272 0.267 CH4 甲烷300 400 500 - - - 0.54 0.60 0.69 0.55 0.61 0.69 0.65 0.64 0.71 N2 氮气300 400 500 0.249 0.250 0.252 0.249 0.250 0.252 0.252 0.

16、251 0.254 0.285 0.268 0.263 O2 氧气300 400 500 0.220 0.225 0.232 0.220 0.225 0.232 0.223 0.227 0.223 0.259 0.243 0.243 1cal/ (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。的数值可以看出空气、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

17、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 有些制造厂的使用说明书给出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出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

18、厂 提供范围 空气 29.1 1 1 页脚内容精品整理 氨NH3 37.3 0.781 0.770.79 二氧化碳CO2 36.6 0.798 0.730.80 一氧化碳CO 29.1 1.002 1.00 甲烷CH4 35.4 0.823 0.690.90 乙烷C2H6 51.6 0.565 0.480.56 乙烯C2H4 42.2 0.69 0.560.69 Freon 12 CCI2F 66.2 0.44 0.320.36 氦HE 20.9 1.39 1.371.43 氩Ar 20.9 1.39 1.391.43 氢H2 28.6 1.019 0.991.03 氮N2 29.1 1.00

19、3 1.001.02 氧O2 29.2 0.999 0.971.00 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 。20% 30% (5) (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，L/h （标准状态）；qm -特使用气体的质量流量。L/hk); J/ (moIcP-标定气体的摩尔定压比热容，通常为空气， 。cP-待使用气体的摩尔定压比热容，J/ (moIk)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

20、气体的换算的转换系数混合气体的换算亦按式 合成 按式7 （7） 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

21、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10 30（型）和60 80 (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0.5100m/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10:150:1 2）精确度和重复性（ 之

22、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1%FS。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，1250mm7

23、501200350700mm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，环境温度和环境温度影响量）（4 ，应用于窑炉或烟道的高温高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

24、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。 。环境温度激烈变化将影响。较宽者为(10 +80)0C环境温度适用范围通常为(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 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

25、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。 安装使用注意事项6、 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20只能水平安装，水平度允差。LDG-明。例如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。

26、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。 6.2 前置直管段 1）热分布式 本类仪表对上下游配管布置不敏感，通常认为无上下游直管段长度要求。国际标草案ISO/DIS 11451认为流量测量不受旋转流和流速场剖面畸变影响。然而BS 7405却认为；上下游直管段长度可小至2D；在进口端置一金属（或塑料）网，可有效地改善流速分布畸变，得到分布均匀的气流；要防止从小管径突然扩大进入较大口径仪表，要缓慢过渡。 页脚内容精品整理 带测量管的浸入式流量传感器和插入式仪表需要一定长度前置直管段，

27、浸入式 2） 建议对于在管道中对此未作具体规定，而按制造厂建议的值。BS 7405ISO/DIS 14511列举的下游直管段。表4(810)D的上游直管段和(35)D用插入热丝流速计时，需要所规定的上直管段长度；若在其进口端装一块或二公司对带测量管浸入式TMFSierra 快多孔板式流动调整器（整流器）后，则其长度可大为缩短，如表最右列所示。 表4 带测量管浸入式上游直管段长度列 上游直管段长度要求 上游组流件名内装流动调整器 无流动调整器 控制阀3D 45D 0 T弯管或型接管901D 15D D ）（1045 渐扩管3D 渐缩管1D 15D 注： 摘自Sierra 公司760UHP型780

28、UHP型样本。 只有一组温度检测点的插入式仪表与带测量管浸入式仪表的上游直管段长度要求相近（只相差检测杆到测量管进口端的距离）；多组检测点的检测杆或多根检测杆的TMF,直管段长度可缩短很多，通常制造厂会提供建议。 6.3 仪表连接管道的振动 连接TMF的管道在常见实际范围内的振动不会产生振动干扰，在正常情况下不影响仪表的测量性能。惟插入式TMF的检测杆必须牢固地固定于管道，并避免装在有振动的场所。 6.4 脉动流的影响 TMF响应时间长，不适应脉动流流量测量。若作测脉动流测量，应了解TMF的响应性，以保证能跟随的上脉动的速度变化。脉动引起的测量误差通常使仪表输出偏高，其程度取决于脉动幅值和频率。 页脚内容