熱式質(zhì)量流量計(jì)概述熱式質(zhì)量流量計(jì)(Thermal Mass Flowmeter,以下簡(jiǎn)稱(chēng)TME）是利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測(cè)量管外加熱體）之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表，過(guò)去我國(guó)習(xí)稱(chēng)量熱式流量計(jì)。當(dāng)前主要用于測(cè)量氣體。熱式質(zhì)量流量計(jì)基本原理熱式流量?jī)x表用得*多有兩類(lèi)，即1）利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)（thenmaI pr......

詳細(xì)介紹

熱式質(zhì)量流量計(jì)—概述
熱式質(zhì)量流量計(jì)(Thermal Mass Flowmeter,以下簡(jiǎn)稱(chēng)TME）是利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測(cè)量管外加熱體）之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表，過(guò)去我國(guó)習(xí)稱(chēng)量熱式流量計(jì)。當(dāng)前主要用于測(cè)量氣體。

熱式質(zhì)量流量計(jì)—基本原理
熱式流量?jī)x表用得*多有兩類(lèi)，即1）利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)（thenmaI prohIe fIowmeter）曾稱(chēng)量熱式TMF；2)利用熱消散（冷卻）效應(yīng)的金氏定律（King s Iaw）TMF。又由于結(jié)構(gòu)上檢測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi)，也稱(chēng)浸入型（immersion type ）或侵入型（intrusion type）。有些在使用時(shí)從管外插入工藝管內(nèi)的儀表稱(chēng)作插入式（insertion type）。

① 熱分布式TMF
熱分布式TMF的工作原理如圖1所示，薄壁測(cè)量管3外壁繞著兩組兼作加熱器和檢測(cè)元件的繞組2，組成惠斯登電橋，由恒流電源5供給恒定熱量，通過(guò)線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱的傳遞可以看作熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)的。在流量為零時(shí)，測(cè)量管上的溫度分布如圖下部虛線所示，相對(duì)于測(cè)量管中心的上下游是對(duì)稱(chēng)的，由線圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實(shí)線所示，由電橋測(cè)出兩組線圈電阻值的變化，求得兩組線圈平均溫度差ΔT。便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量qm，即 qm=K*A/Cp*ΔT
（1）式中 Cp -------被測(cè)氣體的定壓比熱容；
A -------測(cè)量管繞組（即加熱系統(tǒng)）與周?chē)h(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)；
K -------儀表常數(shù)。
在總的熱傳導(dǎo)系數(shù)A中，因測(cè)量管壁很薄且具有相對(duì)較高熱導(dǎo)率，儀表制成后其值不變，因此A的變化可簡(jiǎn)化認(rèn)為主要是流體邊界層熱導(dǎo)率的變化。當(dāng)使用于某一特定范圍的流體時(shí)，則A、Cp均視為常量，則質(zhì)量流量?jī)H與繞組平均溫度差成正比，如圖2中Oa 段所示。
測(cè)量管加熱方式大部分產(chǎn)品采用兩繞組或三繞組線繞電阻；除管外電阻絲繞組加熱方式外還有利用管材本身電阻加熱方式，如表1所示。測(cè)量管形狀有直管形，還有∏字形結(jié)構(gòu)，三繞組中一組在中間加熱，兩組分繞兩臂測(cè)量溫度。

② 基于金氏定律的浸入型TMF
兩溫度傳感器（熱電阻）分別置于氣流中兩金屬細(xì)管內(nèi)，一熱電阻測(cè)得氣流溫度T；另一細(xì)管經(jīng)功率恒定的電熱加熱，其溫度Tv高于氣流溫度，氣體靜止時(shí)Tv*高，隨著質(zhì)量流速ρU增加，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測(cè)得溫度差ΔT=Tv-T。這種方法稱(chēng)作“溫度差測(cè)量法”或“溫度測(cè)量法”。
若保持ΔT恒定，控制加熱功率隨著流量增加而增加功率，這種方法稱(chēng)作“功率消耗測(cè)量法”。

熱式質(zhì)量流量計(jì)—優(yōu)點(diǎn)
a、熱分布式TMF可測(cè)量低流速（氣體0.02～2m/s）微小流量；浸入式TMF可測(cè)量低、中、偏高流速(氣體2～60m/s)；插入式TMF更適合于大管徑。
b、TMF無(wú)活動(dòng)部件，無(wú)分流管的熱分布式儀表無(wú)阻流件，壓力損失很小；帶分流管的熱分布式儀表和浸入性?xún)x表，雖在測(cè)量管道中置有阻流件，但壓力損失也不大。
c、TMF使用性能相對(duì)可靠。與推導(dǎo)式質(zhì)量流量?jī)x表相比，不需溫度傳感器，壓力傳感器和計(jì)算單元等，僅有流量傳感器，組成簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障概率小。
d、熱分布式儀表用于H2 、N2 、O2、CO 、NO等接近理想氣體的雙原子氣體，不*這些氣體專(zhuān)門(mén)標(biāo)定，直接就用空氣標(biāo)定的儀表，實(shí)驗(yàn)證明差別僅2%左右；用于Ar、He等單原子氣體則乘系數(shù)1.4即可；用于其他氣體可用比熱容換算，但偏差可能稍大些。
e、氣體的比熱容會(huì)隨著壓力溫度而變，但在所使用的溫度壓力附近不大的變化可視為常數(shù)。

熱式質(zhì)量流量計(jì)—缺點(diǎn)
a. 熱式質(zhì)量流量計(jì)響應(yīng)慢。
b. 被測(cè)量氣體組分變化較大的場(chǎng)所，因cp值和熱導(dǎo)率變化，測(cè)量值會(huì)有較大變化而產(chǎn)生誤差。
c. 對(duì)小流量而言，儀表會(huì)給被測(cè)氣體帶來(lái)相當(dāng)熱量。
d. 對(duì)于熱分布式TMF，被測(cè)氣體若在管壁沉積垢層影響測(cè)量值，必須定期清洗；對(duì)細(xì)管型儀表更有易堵塞的缺點(diǎn)，一般情況下不能使用。
e. 對(duì)脈動(dòng)流在使用上將受到限制。
f. 液體用TMF對(duì)于粘性液體在使用上亦受到限制。

熱式質(zhì)量流量計(jì)—安裝姿勢(shì)（方向）
a. 熱分布式
大部分熱分布式TMF的流量傳感器可任何姿勢(shì)（水平、垂直或傾斜）安裝，有些儀表只要安裝好后在工作條件壓力、溫度下作電氣零點(diǎn)調(diào)整。然而有些型號(hào)儀表對(duì)安裝姿勢(shì)具有敏感性，大部分制造廠會(huì)對(duì)此就安裝姿勢(shì)影響和安裝要求作出說(shuō)明。例如LDG-□DB系列為減少環(huán)境氣氛對(duì)流傳熱影響，只能水平安裝，水平度允差±20。應(yīng)用于高壓氣體時(shí)流量傳感器則寧可選擇水平安裝，因?yàn)檫@樣便于做到調(diào)零的零偏置。
b.浸入式
大部分浸入式TMF性能不受安裝姿勢(shì)影響。然而在低流速測(cè)量時(shí)因受管道內(nèi)氣體對(duì)流的熱流影響，使安裝姿勢(shì)顯得重要。因此在低和非常低流速流動(dòng)時(shí)要獲得精確測(cè)量，必須遵循制造廠依據(jù)儀表設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)而定的安裝建議。
② 前置直管段
a.熱分布式
本類(lèi)儀表對(duì)上下游配管布置不敏感，通常認(rèn)為無(wú)上下游直管段長(zhǎng)度要求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)草案ISO/DIS 11451認(rèn)為流量測(cè)量不受旋轉(zhuǎn)流和流速場(chǎng)剖面畸變影響。然而B(niǎo)S 7405卻認(rèn)為；①上下游直管段長(zhǎng)度可小至2D；②在進(jìn)口端置一金屬（或塑料）網(wǎng)，可有效地改善流速分布畸變，得到分布均勻的氣流；③要防止從小管徑突然擴(kuò)大進(jìn)入較大口徑儀表，要緩慢過(guò)渡。
b.浸入式
帶測(cè)量管的浸入式流量傳感器和插入式儀表需要一定長(zhǎng)度前置直管段，ISO/DIS 14511對(duì)此未作具體規(guī)定，而按制造廠建議的值。BS 7405建議對(duì)于在管道中用插入熱絲流速計(jì)時(shí)，需要(8～10)D的上游直管段和(3～5)D的下游直管段。下表列舉了Sierra公司對(duì)帶測(cè)量管浸入式TMF所規(guī)定的上直管段長(zhǎng)度；若在其進(jìn)口端裝一塊或二快多孔板式流動(dòng)調(diào)整器（整流器）后，則其長(zhǎng)度可大為縮短，如表*右列所示。
③ 儀表連接管道的振動(dòng)
連接TMF的管道在常見(jiàn)實(shí)際范圍內(nèi)的振動(dòng)不會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)干擾，在正常情況下不影響儀表的測(cè)量性能。惟插入式TMF的檢測(cè)桿必須牢固地固定于管道，并避免裝在有振動(dòng)的場(chǎng)所。
④ 脈動(dòng)流的影響
TMF響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，不適應(yīng)脈動(dòng)流流量測(cè)量。若作測(cè)脈動(dòng)流測(cè)量，應(yīng)了解TMF的響應(yīng)性，以保證能跟隨的上脈動(dòng)的速度變化。脈動(dòng)引起的測(cè)量誤差通常使儀表輸出偏高，其程度取決于脈動(dòng)幅值和頻率。