莫如健

    摘要：热式质量流量计越来越广泛地应用于现今的工业生产。本文简述了热式质量流量计的工作原理，并对恒功率与恒温差热式气体质量计进行了原理上和应用上的比较。

    关键词：热式；质量流量计；恒温差；恒功率

    气体流量一直是工业过程中最需要测量，而又难于精确测量的过程参数。目前广泛应用的流量计大部分都能测量气体的体积流量。由于气体的体积大小受其温度、压力等参数的影响，当被测气体的温度、压力变化时，应把所测量的体积流量的换算称标准状态或某一约定状态下的相应值。但实际上当温度、压力频繁变化时，进行及时换算是很困难的，有时是不可能完成的。因此，希望用质量流量计来测量气体。另外，在实际生产过程中，由于对产品进行质量控制、对生产过程中各种物料混合比率进行测定，成本核算以及对生产过程进行自动调节等，也必须采用质量流量计。随着工业生产技术的发展和自动化水平的提高，使质量流量测量技术日益重要。

    ◇ 测量原理

    在测量气体的技术中，热式质量流量计是目前发展较快的一种直接式测量技术。它的基本原理是，利用外热源对流体加热，测量因流体流动造成的温度场变化来反应质量流量，温度场的变化用加热器前后端的温差来表示，被测流体的质量Qm与加热器前后端温差Δt之间的关系是Qm=P/(JCpΔt)式中：P—加热器的功率；J—热工当量；Cp—被测流体的定压比热；Δt—加热器前后端的温度。

    由上式可知，若采用恒定功率法，则温差Δt与质量流量Qm成反比，测得温差Δt即可求得Qm；假若采用恒定温差法，则加热器输入功率P与质量流量成正比，测得加热器输入功率P则可求得Qm值。

    ◇ 主要应用

    工厂压缩空气测量；

    天然测量；

    锅炉的燃气和空气送风；

    污水处理瀑气测量；

    火炬气体测量；

    液化气和沼气测量；

    氢气测量等。

    ◇ 热式质量流量计的特点

    （1）直接测量质量流量

    热式质量流量计采用热扩散的原理直接测量气体质量流量，不需压力，温度补偿。

    （2）没有可动部件，没有旋转部之类的可动部件， 因此不会产生机械磨损，无须维护。

    （3）流量范围很宽

    有最大测量流量和最小测量流量之比为50：1的产品，也有100：1的产品，与其他流量计相比，具有非常宽的测量范围。国际某制造厂已开发和销售测量范围为1280：1的流量计。另外，目前正在开发具有3000：1的测量范围的产品。

    ◇ 气体的种类与流量计灵敏度

    热式质量流量计利用发热体(加热器)和（流体）之间的热传递现象来进行流量测量。由于气体种类的不同，热物性也不相同，因此传感器的灵敏度也各不相同，用于修正各气体的灵敏度差异的系数称为转换因子。热式质量流量计用于其流量计已校准的气体以外的气体时，务必用转换因子乘以输出来修正。目前各制造厂均在流量计变送器内预置了代表性气体的转换因子。使用时只需变更参数就可以简单地变更气体种类了。

    ◇ 恒温差与恒功率质量流量计比较

    按测量原理热式质量流量计可分为恒温差与恒功率质量流量计量类。此二者在目前的工业中均得到了广泛应用。而基于原理的差异，二者有哪些主要的不同，各有些什么优缺点。

    恒功率流量计指保持电阻元件的功率恒定，则介质的温差和气体的质量流量成一定的比例关系。温度传感器紧靠加热器，通过加热元件利用传导加热。温度传感器RT1测量气体自身的温度值T1，温度传感器RT2测量气体流经加热器之后的温度值作为测量T2，此时参比温度和测量温度之间出现温差Δt。在流速低时温差值大而流速高时温差值小。温差信号经线性化处理后和质量流量成比例关系。

    恒功率流量计的对于气体流速和温度变化的响应时间较慢是因为其传感器内在的构造所决定：在流速或流量为零时，由于加热器一侧的测量温度传感器和参比温度传感谢器之间存在自然对流导至热量上升，因此恒功率流量计没有稳定的“零点”。需要进行特殊修正，否则温度补偿范围被告限制在±1℃。

    多数恒功率流量计采用三个传感器，加热器、测量温度传感器和参比温度传感器，由于传感器结构的不对称，因此对非轴向流动非常敏感。

    恒温差流量计指通过固态反馈控制电路控制一个RTD传感器，使得加热传感器和测量气体自身温度值的另一个RTD参比传感器之间保持恒定的温差。随着流速的增加为保持温差恒定，因此需要加热器的电源功率较大。由于气体介质温度的变化，反馈控制电路在加热传感器和测量气体自身温度值的参比传感器RTD之间形成“过热”的恒定温差。

    恒温差相对于恒功率最显著的优点就是对温差的修正及温差变化率的修正。

    在使用上，恒定温差法，无论从特性关系或实现测量的手段看都较恒定法简单，从功率表上读出功率即可直接计算出质量流量。新的进入工业市场领域的多数选用恒温差原理的产品。

    （1） 基本原理比较
          
                  图1  恒温差原理                                 图2  恒功率原理
    上二图分别为表示了恒温差原理和恒功率原理热式质量流量计的被测介质流速与输出信号的关系。

    由图1可知，恒温差原理热式质量流量在低流速时，随流速的变化，输出信号变化较大，即是在低流速时具有较高的测量精度。而高流速时，随流速的变化，输出信号变化较小，即是在高流速时测量精度较低。

    图2可知，恒功率原理热式质量流量计在低流速时，随流速的变化，输出信号变化较小，即是在低流速时具有较低的测量精度。而在高流速时，随流速的变化，输出信号变化较大，即是在高流速时测量精度较高。

    （2）技术性能比较

    恒温差质量流量计仅需两个传感器，而恒功率为三个传感器。

    恒温差对流体流速变化的响应时间优于恒功率，原因在于恒温差只需传感器的加热元件的外表面；大多数传感器总是处于恒定的温度。因此，恒温差的速度时间常数约为1秒而恒功率的速度时间常数是恒温差的5~10倍。换言之，恒功率完全依靠流经传感器气体的质量形成温度变化，相当缓慢，大约在15~30秒之间。

    在正确的设计理念下，恒温差对周围环境温度变化的时间响应常数优于恒功率。恒温斋戒的温度常数约1~3秒，而恒功率约15~30秒。

    恒温差由于传感器的结构为环形（一前一后），因此对非轴向流不敏感。而通常用恒功率传感器结构形成不对称结构，因此对旋转角度的垂直角度的变化非常敏感。

恒温差质量流量计在测量低流速介质时能得到较高精度，而恒功率流量在测量高流速介质时能得到较高精度。

    ◇ 结语

    通过对恒功率和恒温差热式质量流量计的比较，分析其在工业应用中的优缺点。为工程技术人员在应用热式质量流量计时做参考。

    摘自《自动化博览》2010年第十一期