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    莫如健

    摘要：熱式質(zhì)量流量計越來越廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)今的工業(yè)生產(chǎn)。本文簡述了熱式質(zhì)量流量計的工作原理，并對恒功率與恒溫差熱式氣體質(zhì)量計進行了原理上和應(yīng)用上的比較。

    關(guān)鍵詞：熱式；質(zhì)量流量計；恒溫差；恒功率

    氣體流量一直是工業(yè)過程中最需要測量，而又難于精確測量的過程參數(shù)。目前廣泛應(yīng)用的流量計大部分都能測量氣體的體積流量。由于氣體的體積大小受其溫度、壓力等參數(shù)的影響，當(dāng)被測氣體的溫度、壓力變化時，應(yīng)把所測量的體積流量的換算稱標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)或某一約定狀態(tài)下的相應(yīng)值。但實際上當(dāng)溫度、壓力頻繁變化時，進行及時換算是很困難的，有時是不可能完成的。因此，希望用質(zhì)量流量計來測量氣體。另外，在實際生產(chǎn)過程中，由于對產(chǎn)品進行質(zhì)量控制、對生產(chǎn)過程中各種物料混合比率進行測定，成本核算以及對生產(chǎn)過程進行自動調(diào)節(jié)等，也必須采用質(zhì)量流量計。隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和自動化水平的提高，使質(zhì)量流量測量技術(shù)日益重要。

    ◇ 測量原理

    在測量氣體的技術(shù)中，熱式質(zhì)量流量計是目前發(fā)展較快的一種直接式測量技術(shù)。它的基本原理是，利用外熱源對流體加熱，測量因流體流動造成的溫度場變化來反應(yīng)質(zhì)量流量，溫度場的變化用加熱器前后端的溫差來表示，被測流體的質(zhì)量Qm與加熱器前后端溫差Δt之間的關(guān)系是Qm=P/(JCpΔt)式中：P—加熱器的功率；J—熱工當(dāng)量；Cp—被測流體的定壓比熱；Δt—加熱器前后端的溫度。

    由上式可知，若采用恒定功率法，則溫差Δt與質(zhì)量流量Qm成反比，測得溫差Δt即可求得Qm；假若采用恒定溫差法，則加熱器輸入功率P與質(zhì)量流量成正比，測得加熱器輸入功率P則可求得Qm值。

    ◇ 主要應(yīng)用

    工廠壓縮空氣測量；

    天然測量；

    鍋爐的燃氣和空氣送風(fēng)；

    污水處理瀑氣測量；

    火炬氣體測量；

    液化氣和沼氣測量；

    氫氣測量等。

    ◇ 熱式質(zhì)量流量計的特點

    （1）直接測量質(zhì)量流量

    熱式質(zhì)量流量計采用熱擴散的原理直接測量氣體質(zhì)量流量，不需壓力，溫度補償。

    （2）沒有可動部件，沒有旋轉(zhuǎn)部之類的可動部件， 因此不會產(chǎn)生機械磨損，無須維護。

    （3）流量范圍很寬

    有最大測量流量和最小測量流量之比為50：1的產(chǎn)品，也有100：1的產(chǎn)品，與其他流量計相比，具有非常寬的測量范圍。國際某制造廠已開發(fā)和銷售測量范圍為1280：1的流量計。另外，目前正在開發(fā)具有3000：1的測量范圍的產(chǎn)品。

    ◇ 氣體的種類與流量計靈敏度

    熱式質(zhì)量流量計利用發(fā)熱體(加熱器)和（流體）之間的熱傳遞現(xiàn)象來進行流量測量。由于氣體種類的不同，熱物性也不相同，因此傳感器的靈敏度也各不相同，用于修正各氣體的靈敏度差異的系數(shù)稱為轉(zhuǎn)換因子。熱式質(zhì)量流量計用于其流量計已校準(zhǔn)的氣體以外的氣體時，務(wù)必用轉(zhuǎn)換因子乘以輸出來修正。目前各制造廠均在流量計變送器內(nèi)預(yù)置了代表性氣體的轉(zhuǎn)換因子。使用時只需變更參數(shù)就可以簡單地變更氣體種類了。

    ◇ 恒溫差與恒功率質(zhì)量流量計比較

    按測量原理熱式質(zhì)量流量計可分為恒溫差與恒功率質(zhì)量流量計量類。此二者在目前的工業(yè)中均得到了廣泛應(yīng)用。而基于原理的差異，二者有哪些主要的不同，各有些什么優(yōu)缺點。

    恒功率流量計指保持電阻元件的功率恒定，則介質(zhì)的溫差和氣體的質(zhì)量流量成一定的比例關(guān)系。溫度傳感器緊靠加熱器，通過加熱元件利用傳導(dǎo)加熱。溫度傳感器RT1測量氣體自身的溫度值T1，溫度傳感器RT2測量氣體流經(jīng)加熱器之后的溫度值作為測量T2，此時參比溫度和測量溫度之間出現(xiàn)溫差Δt。在流速低時溫差值大而流速高時溫差值小。溫差信號經(jīng)線性化處理后和質(zhì)量流量成比例關(guān)系。

    恒功率流量計的對于氣體流速和溫度變化的響應(yīng)時間較慢是因為其傳感器內(nèi)在的構(gòu)造所決定：在流速或流量為零時，由于加熱器一側(cè)的測量溫度傳感器和參比溫度傳感謝器之間存在自然對流導(dǎo)至熱量上升，因此恒功率流量計沒有穩(wěn)定的“零點”。需要進行特殊修正，否則溫度補償范圍被告限制在±1℃。

    多數(shù)恒功率流量計采用三個傳感器，加熱器、測量溫度傳感器和參比溫度傳感器，由于傳感器結(jié)構(gòu)的不對稱，因此對非軸向流動非常敏感。

    恒溫差流量計指通過固態(tài)反饋控制電路控制一個RTD傳感器，使得加熱傳感器和測量氣體自身溫度值的另一個RTD參比傳感器之間保持恒定的溫差。隨著流速的增加為保持溫差恒定，因此需要加熱器的電源功率較大。由于氣體介質(zhì)溫度的變化，反饋控制電路在加熱傳感器和測量氣體自身溫度值的參比傳感器RTD之間形成“過熱”的恒定溫差。

    恒溫差相對于恒功率最顯著的優(yōu)點就是對溫差的修正及溫差變化率的修正。

    在使用上，恒定溫差法，無論從特性關(guān)系或?qū)崿F(xiàn)測量的手段看都較恒定法簡單，從功率表上讀出功率即可直接計算出質(zhì)量流量。新的進入工業(yè)市場領(lǐng)域的多數(shù)選用恒溫差原理的產(chǎn)品。

    （1） 基本原理比較
          
                  圖1  恒溫差原理                                 圖2  恒功率原理
    上二圖分別為表示了恒溫差原理和恒功率原理熱式質(zhì)量流量計的被測介質(zhì)流速與輸出信號的關(guān)系。

    由圖1可知，恒溫差原理熱式質(zhì)量流量在低流速時，隨流速的變化，輸出信號變化較大，即是在低流速時具有較高的測量精度。而高流速時，隨流速的變化，輸出信號變化較小，即是在高流速時測量精度較低。

    圖2可知，恒功率原理熱式質(zhì)量流量計在低流速時，隨流速的變化，輸出信號變化較小，即是在低流速時具有較低的測量精度。而在高流速時，隨流速的變化，輸出信號變化較大，即是在高流速時測量精度較高。

    （2）技術(shù)性能比較

    恒溫差質(zhì)量流量計僅需兩個傳感器，而恒功率為三個傳感器。

    恒溫差對流體流速變化的響應(yīng)時間優(yōu)于恒功率，原因在于恒溫差只需傳感器的加熱元件的外表面；大多數(shù)傳感器總是處于恒定的溫度。因此，恒溫差的速度時間常數(shù)約為1秒而恒功率的速度時間常數(shù)是恒溫差的5~10倍。換言之，恒功率完全依靠流經(jīng)傳感器氣體的質(zhì)量形成溫度變化，相當(dāng)緩慢，大約在15~30秒之間。

    在正確的設(shè)計理念下，恒溫差對周圍環(huán)境溫度變化的時間響應(yīng)常數(shù)優(yōu)于恒功率。恒溫齋戒的溫度常數(shù)約1~3秒，而恒功率約15~30秒。

    恒溫差由于傳感器的結(jié)構(gòu)為環(huán)形（一前一后），因此對非軸向流不敏感。而通常用恒功率傳感器結(jié)構(gòu)形成不對稱結(jié)構(gòu)，因此對旋轉(zhuǎn)角度的垂直角度的變化非常敏感。

恒溫差質(zhì)量流量計在測量低流速介質(zhì)時能得到較高精度，而恒功率流量在測量高流速介質(zhì)時能得到較高精度。

    ◇ 結(jié)語

    通過對恒功率和恒溫差熱式質(zhì)量流量計的比較，分析其在工業(yè)應(yīng)用中的優(yōu)缺點。為工程技術(shù)人員在應(yīng)用熱式質(zhì)量流量計時做參考。

    摘自《自動化博覽》2010年第十一期