莫如健

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

    關鍵詞：熱式；質量流量計；恒溫差；恒功率

    氣體流量一直是工業過程中最需要測量，而又難于精確測量的過程參數。目前廣泛應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、壓力等參數的影響，當被測氣體的溫度、壓力變化時，應把所測量的體積流量的換算稱標準狀態或某一約定狀態下的相應值。但實際上當溫度、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，希望用質量流量計來測量氣體。另外，在實際生產過程中，由于對產品進行質量控制、對生產過程中各種物料混合比率進行測定，成本核算以及對生產過程進行自動調節等，也必須采用質量流量計。隨著工業生產技術的發展和自動化水平的提高，使質量流量測量技術日益重要。

    ◇ 測量原理

    在測量氣體的技術中，熱式質量流量計是目前發展較快的一種直接式測量技術。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質量流量，溫度場的變化用加熱器前后端的溫差來表示，被測流體的質量Qm與加熱器前后端溫差Δt之間的關系是Qm=P/(JCpΔt)式中：P—加熱器的功率；J—熱工當量；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。

    ◇ 主要應用

    工廠壓縮空氣測量；

    天然測量；

    鍋爐的燃氣和空氣送風；

    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。

    ◇ 熱式質量流量計的特點

    （1）直接測量質量流量

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

    （2）沒有可動部件，沒有旋轉部之類的可動部件， 因此不會產生機械磨損，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的產品，也有100：1的產品，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和銷售測量范圍為1280：1的流量計。另外，目前正在開發具有3000：1的測量范圍的產品。

    ◇ 氣體的種類與流量計靈敏度

    熱式質量流量計利用發熱體(加熱器)和（流體）之間的熱傳遞現象來進行流量測量。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稱為轉換因子。熱式質量流量計用于其流量計已校準的氣體以外的氣體時，務必用轉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預置了代表性氣體的轉換因子。使用時只需變更參數就可以簡單地變更氣體種類了。

    ◇ 恒溫差與恒功率質量流量計比較

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

    恒功率流量計指保持電阻元件的功率恒定，則介質的溫差和氣體的質量流量成一定的比例關系。溫度傳感器緊靠加熱器，通過加熱元件利用傳導加熱。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。溫差信號經線性化處理后和質量流量成比例關系。

    恒功率流量計的對于氣體流速和溫度變化的響應時間較慢是因為其傳感器內在的構造所決定：在流速或流量為零時，由于加熱器一側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至熱量上升，因此恒功率流量計沒有穩定的“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，由于傳感器結構的不對稱，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，無論從特性關系或實現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量流量。新的進入工業市場領域的多數選用恒溫差原理的產品。

    （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量流量計的被測介質流速與輸出信號的關系。

    由圖1可知，恒溫差原理熱式質量流量在低流速時，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）技術性能比較

    恒溫差質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時間優于恒功率，原因在于恒溫差只需傳感器的加熱元件的外表面；大多數傳感器總是處于恒定的溫度。因此，恒溫差的速度時間常數約為1秒而恒功率的速度時間常數是恒溫差的5~10倍。換言之，恒功率完全依靠流經傳感器氣體的質量形成溫度變化，相當緩慢，大約在15~30秒之間。

    在正確的設計理念下，恒溫差對周圍環境溫度變化的時間響應常數優于恒功率。恒溫齋戒的溫度常數約1~3秒，而恒功率約15~30秒。

    恒溫差由于傳感器的結構為環形（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構形成不對稱結構，因此對旋轉角度的垂直角度的變化非常敏感。

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

    ◇ 結語

    通過對恒功率和恒溫差熱式質量流量計的比較，分析其在工業應用中的優缺點。為工程技術人員在應用熱式質量流量計時做參考。

    摘自《自動化博覽》2010年第十一期