氣體質量流量計的工作原（yuán）理

測量氣（qì）體用的*多的就是氣體質量流量計了（le），但很多人針對氣體質量流量計還不（bú）太了解，那麽**找來有關專家為大家概述氣體質量流量計（jì）的原理。

 

氣體質量流量計（jì）(以下簡稱tme)是利用傳熱原理，即（jí）流動中的流體與熱源(流體中加熱的物體或測量管外加熱體)之間熱量交換關係來測量流量的儀表，過去我國習稱量熱式流量計。當前主要用於測量氣體。

 

20世紀90年代初期，**範圍tmf銷售（shòu）金額約占（zhàn）流量（liàng）儀表的（de）8%，約4.5萬台。國內90年代中（zhōng）期銷售（shòu）量估計每年1000台左右。過去（qù）流程工（gōng）業用儀表主要是熱分布式，近幾年才開發熱散（sàn）(或冷卻)效應式。

 

1. 原理和結構

熱式流量儀表用得*多有兩類，即1)利用流動流體傳遞熱量改變測量管壁（bì）溫度分布（bù）的（de）熱傳導分布效應的熱分布式流量計（jì）(thenmai prohie fiowmeter)曾（céng）稱量熱式tmf;2)利用熱消散(冷卻（què）)效應的金氏定律(king s iaw)tmf。又由於結構上檢測元件伸入測量管內，也稱浸入型(immersion type )或侵（qīn）入（rù）型(intrusion type)。有些（xiē）在使用時（shí）從管外（wài）插入工藝管內的儀表稱作插入式(insertion type)。

 

1.1熱（rè）分布式tmf

熱分布式tmf的（de）工作原理如圖1所示，薄壁測量管3外壁繞著兩組兼作加熱器和檢測元件的繞組2，組成惠斯登電橋，由恒流電源5供給（gěi）恒定（dìng）熱（rè）量，通過線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導熱量（liàng）給管內流（liú）體。邊界層內（nèi）熱（rè）的傳遞可以看作熱（rè）傳導方式實現的。在流量為零時，測（cè）量管上的溫度分布如圖下部（bù）虛線所示，相對於測量管中心的（de）上下遊是（shì）對稱的，由線圈和電阻組成的（de）電橋處於平衡狀態;當流體流（liú）動時，流體將上遊的部分熱量帶給下遊，導致溫度分布變化如實（shí）線所示（shì），由電橋測出兩組線（xiàn）圈電阻值的變（biàn）化，求得（dé）兩組線圈平（píng）均（jun1）溫度差δt。便可按下式（shì）導（dǎo）出質量流量qm，即

(1)   

式中 cp -------被測氣（qì）體的定壓比熱容（róng）;

a -------測量管繞組（zǔ）(即加熱係統)與周圍環境（jìng）熱交（jiāo）換係統之間的熱傳（chuán）導係數;

k -------儀表常數（shù）。

 

在總的熱傳導係數a中，因測量管壁很薄且具有相對較高熱導率（lǜ），儀表（biǎo）製成後其值不變，因此a的變化可簡（jiǎn）化認為主要是流體邊界（jiè）層熱導率的變化。當使用於某一特定範圍的流體時，則a、cp均視（shì）為常量，則質量流量僅（jǐn）與繞組平均溫度差成正比，如圖2 oa 段所示。 oa段為儀表正常測量範（fàn）圍（wéi），儀表（biǎo）出口（kǒu）處流體不帶走熱量，或者說帶走（zǒu）熱量*微（wēi）;超過a點流量增大到有部分熱量被帶走而（ér）呈現非線性，流量超過b點則大量（liàng）熱量被帶走。

 

測量管（guǎn）加（jiā）熱方式大部分產品采用（yòng）兩繞（rào）組或三繞組線繞電阻;除管外電阻絲繞組加熱方式外還（hái）有（yǒu）利用管材本身電阻加熱方式，如表1所示。測量管形狀（zhuàng）有直管（guǎn）形，還有∏字形結構，三繞組中一組在中間加熱，兩組分繞兩臂（bì）測量溫度。

表 1 測量管加（jiā）熱和檢測方式

 

為了獲得良好的線形輸出（chū），必須保持層流（liú）流（liú）動，測量（liàng）管內徑d設計得很小而長度l很長，即有很大l/d比值，流速（sù）低，流（liú）量小。為擴大儀表流量，還可采（cǎi）用在管道內裝管束等層流阻（zǔ）流件;擴大更大流量（liàng）和口徑還常采用分流（liú）方式，在主管道內裝層流阻流件(見圖3)以（yǐ）恒（héng）定比值分流部分（fèn）流體（tǐ）到流（liú）量傳感部件。有些（xiē）型號儀表（biǎo）也（yě）有用文丘（qiū）裏噴嘴等代替層流阻流件。

 

市場（chǎng）上熱分布式tmf按測量（liàng）管內徑分為細管（guǎn）型(也有（yǒu）稱毛細管型)和小型兩大類，結構上有較大區別。小型測量管儀表隻有直管型，內徑為4mm;細管型（xíng）測量（liàng）管內徑僅0.2~0.5mm。稍大者為0.8~1mm，*容易堵塞（sāi），隻適用於淨化（huà）無塵氣體。細管型儀（yí）表還有一種帶有調節單元和控製閥等組成一體的（de）熱式質量流量控製（zhì）器，結構如圖4所示。

 

1.2基於金氏定律的浸入型tmf

金氏定律的熱絲熱散失率表述各參（cān）量間關係，如式2所示。

(2)   

 

式中 h/l -------單位長度熱散失率，j/m?h;

δt--------熱絲高於自由流束的平均（jun1）升高溫（wēn）度，k;

λ --------流體的熱導率，j/h?m?k;

cv---------定容比熱容，j/kg?k;

ρ---------密度，kg/m3;

u---------流體的流速，m/h;

d--------熱絲直徑，m.

如圖5所示，兩（liǎng）溫度傳感器(熱電阻)分別置於氣流中兩（liǎng）金屬細（xì）管內，一熱電阻測得氣流溫度t;另一細（xì）管經功率恒（héng）定的電熱加熱，其溫度tv高於氣流溫（wēn）度，氣體靜止時（shí）tv*高，隨著質量流（liú）速ρu增加，氣流帶（dài）走更多熱量，溫度下降，測得（dé）溫度（dù）差δt=tv-t.這種方法稱作（zuò）“溫度差測（cè）量法”或“溫度測量法”。

 

消耗功率p和溫度差δt如式（shì）3所示比列關係，式中b, c, k均為（wéi）常數，k在?~?之間（jiān）。從式2便可（kě）算出質量流速，乘上點流速（sù）於管道平均流速間係數和流通麵積（jī）的質量流（liú）量qm，再將式3變換成式4。

(3)   

(4)   

 

式4中e是與所測（cè）氣體物性如（rú）熱導率、比熱容、粘度等（děng）有關的係數，如果氣體成分和物性恒定則視為常數。d則（zé）是與實際流動有關的（de）常數。

若（ruò）保持δt恒定，控製加熱功率（lǜ）隨著流量增加而增加功（gōng）率（lǜ），這種方法稱作（zuò）“功率消耗測量法”。