新聞資訊
熱式流量儀表的原理及應用
武漢華明源科技有限公司 黃離京
1、前言
流量儀表包括流量計與流量開關(guān)，是工業(yè)測量中重要的儀表之一。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對流量測量的準確度和范圍的要求越來越高，流量測量技術(shù)日新月異。為了適應各種用途，各種類型的流量儀表相繼問世。目前已投入使用的流量儀表已超過100種，而熱式流量儀表就是這其中應用比較廣泛的一種。
熱式流量儀表是根據(jù)介質(zhì)熱傳遞原理制造的，利用傳熱學和流體力學理論，采用熱平衡原理建立熱敏元件的熱量損失、流體流速和質(zhì)量流量之間的函數(shù)關(guān)系，從而獲知流體的流速、流量。熱式流量儀表按流體對檢測元件熱源的熱量作用可分為熱消散效應或稱熱導效應和熱分布式效應，目前，基于熱消散效應的流量計發(fā)展迅速，性能穩(wěn)定，市場需求大，應用范圍廣。
根據(jù)不同的測量關(guān)系，熱式流量儀表一般有兩種測量方法：一種是熱量式，通過給流體加入必要的熱量，熱量隨流體流動，從而使不同位置的溫度不同，可以通過檢測溫度變化來求出流量，使用這種測量方法的有托馬斯流量計、熱分布型流量計和非接觸式的邊界層流量計；另一種稱為熱導式，這種方法是在流動的流體中放置發(fā)熱元件，其溫度場隨流速產(chǎn)生變化，可以通過檢測發(fā)熱元件被冷卻程度來測量流量，使用這種測量方法的儀表有浸入型流量計。
2、熱導式侵入型流量儀表探頭模型及測量原理
2、1探頭模型
探頭采用侵入式結(jié)構(gòu)，它由2個感溫熱敏元件RT1與RT2組成，其中RT1檢測流體溫度，RT2被加熱感測流體流速。
探頭模型圖
2、2基本原理
從熱式流量儀表的發(fā)展歷史來看，恒溫差式流量儀表首先應用于實際工業(yè)的介質(zhì)測量，這是因為恒溫差式實現(xiàn)起來比恒功率式更加容易，所以從現(xiàn)在生產(chǎn)熱式流量儀表的廠家來看，采用恒溫差原理的廠家更多一些，有Turk Kurx、Sirren、Brooks等。但是隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，恒溫差式流量儀表已經(jīng)很難滿足一些特殊生產(chǎn)的需要，這就使恒功率式流量儀表成為重點的研究方向。
2、2、1恒溫差法
原理：恒溫差法（功率消耗測量法）是加熱元件RT2的溫度高于介質(zhì)的溫度，介質(zhì)流過時帶走一部分熱量，保持加熱元件和被測介質(zhì)溫度差恒定在一定的溫差，控制和測量熱源提供的功率，功率消耗隨流量的增加而增加，由功率的消耗反映介質(zhì)流量。
在測量管路中加入兩只熱敏元件，一個熱敏元件RT1加入較小的電流（電流在4mA以下，不會引起元件發(fā)熱），用于測量被測流體溫度，稱為測溫熱敏元件。另一個熱敏元件RT2通入較大電流（電流一般在50mA以上），用于測量被測流體的速度，稱為測速熱敏元件。根據(jù)熱擴散原理，加熱物體被流體帶走的熱量與加熱物體與流體的溫差、流體的流速以及流體的性質(zhì)有關(guān)。工作時測溫熱敏元件不斷檢測介質(zhì)溫度，測速熱敏元件自加熱到一個高于流體的恒定溫度，流體流動時，由于散熱測速熱敏元件表面溫度降低，測速熱敏元件阻值發(fā)生變化，惠斯通電橋不平衡。通過由惠斯通電橋組成的反饋電路把溫差反饋到處理器來增大加熱器的電流（也可以是電壓）來保持其溫差為恒定。
流體的流量與加入的電流（電壓）成比例關(guān)系：流體的流量越大，為維持恒定溫度差所加入的電流（電壓）越大。所以可以通過實驗標定出加熱電流（電壓）和質(zhì)量流量的關(guān)系，就可以通過電流（電壓）來計算出流體質(zhì)量流量。
恒溫差式熱式流量儀表存在問題：隨著介質(zhì)流量的增加，測速熱敏元件的熱量被迅速帶走，恒溫差式流量儀表要求對測速熱敏元件加熱的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及測速熱敏元件******允許電流的影響，其******可測量流量受到限制。
2、2、2恒功率法
恒功率法（溫度測量法）是以恒定功率為熱敏元件提供熱量，使其加熱到高于介質(zhì)的溫度，流體流動帶走熱敏元件表面一部分熱量，流量越大，溫度降越大，測量隨流體流量變化的溫度，可以反映介質(zhì)流量。有以下兩種實現(xiàn)方式：
（1）只對一只熱敏元件加熱，由熱擴散原理測量溫差。
原理：與恒溫差式流量儀表的結(jié)構(gòu)類似，在測量管路中同樣加入兩個熱敏元件，一個為用于測量被測流體溫度的測溫熱敏元件，另一個為用于測量被測流體速度的測速熱敏元件。在加熱器上加上一個恒定的功率對測速熱敏元件加熱，流體在靜止時測速熱敏元件和測溫熱敏元件表面溫度差ΔT21=TS2-TS1******，隨著介質(zhì)的流動，兩個熱敏元件表面溫度差減小。流體的流量越大，兩只熱敏元件的溫差越小。熱敏元件連接在惠斯通電橋中，熱敏元件的溫度不同使熱敏元件的熱敏元件呈現(xiàn)不同阻值，從而使電橋不平衡，通過檢測電橋的電壓差來反應流體流量。
（2）對兩只對稱的熱敏元件進行加熱，由熱平衡原理計算溫度差。
傳感器的結(jié)構(gòu)是把兩個完全相同的熱敏元件對稱的固定在熱源的兩側(cè)，放置在流體中。采用一個恒流源（恒壓源）對熱源加熱，流體流動使兩個熱敏元件的溫度不同。熱敏元件連接在惠斯通電橋中，熱敏元件的溫度不同使熱敏元件的熱敏元件呈現(xiàn)不同阻值，從而使電橋不平衡，通過檢測電橋的電壓來反應流體流量。
2、3兩種方案的比較和選擇
恒溫差原理的熱式流量儀表的******優(yōu)點是比恒功率式熱式流量儀表響應的時間快。因為恒功率式測量值從實際溫度變化獲得，測量管質(zhì)量和檢測元件質(zhì)量的熱慣性會降低響應速度；恒溫差式的溫度分布沒有變化，不受檢測元件等質(zhì)量熱慣性影響。
對于恒功率式熱式流量儀表，它采用一個恒定的功率對熱敏元件加熱，較之恒溫差式熱式流量儀表有如下優(yōu)點：
（1）恒功率式流量儀表的******可測量流量較大，隨著介質(zhì)流量的增加，被加熱的熱敏元件的熱量被迅速帶走。對于恒溫差式流量儀表，它要求對被加熱熱敏元件的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及被加熱的熱敏元件******允許電流的影響，其******值受到限制。而恒功率型的流量測量容易實現(xiàn)，通常恒功率原理的流量儀表對空氣的理論上******可測量速度為500m/s，而恒溫差原理的流量儀表理論上******可測速度只能達到40m/s。
（2）恒功率流量儀表不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量儀表為了使其對溫度快速響應和保持恒定的溫差，一般熱敏元件均做得比較細小。而恒功率流量儀表卻可以做得粗大（各生產(chǎn)廠不一樣尺寸也不一樣）。這樣對于臟濕介質(zhì)測量時，臟濕物質(zhì)對熱敏元件可能產(chǎn)生短暫的附著物（任何生產(chǎn)廠都對熱敏元件采用了拋光處理，長期附著物的產(chǎn)生是不大容易的）。對于較細的熱敏元件，其附著物對加熱熱敏元件的散熱會產(chǎn)生較大的影響，嚴重時使其測量精度大大降低。恒功率對臟濕介質(zhì)的測量會好很多。
（3）恒溫差式流量儀表不對溫度的變化進行補償，恒功率流量儀表卻能對溫度變化的全范圍內(nèi)進行自動補償。眾所周知，熱流量和平衡常數(shù)是受溫度的變化而變化的，一般而言只在常溫的范圍內(nèi)為常數(shù)，當測量的介質(zhì)溫度范圍超過這一數(shù)值時，介質(zhì)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會發(fā)生變化。受電路設計的影響，目前市場上所有的恒溫差流量儀表均沒有對溫度進行補償，而FCI、Advtech采用恒功率方式的流量儀表均能對全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進行自動補償。而介質(zhì)的溫度變化范圍受氣候或別的原因的影響是很難保持恒定的。
（4）恒功率與恒溫差在耐高溫方面有著顯著的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫可以做到450℃，而恒溫差的流量儀表一般都在260℃以內(nèi)，這對于測量過熱蒸汽而言，其適應性有很大的差別。
3、熱導式插入型流量儀表的分類
3、1分類
熱式流量儀表按照使用分為：熱式質(zhì)量流量計和熱式流量開關(guān)兩大類。流量計具有顯示流量值，或輸出連續(xù)流量信號的功能；流量開關(guān)只輸出兩位信號，觸發(fā)下位連鎖設備起到管系的安全保護，或本身帶流量控制閥等。控制流量保持在某流量范圍內(nèi)。流量開關(guān)也可稱作流量控制器。
熱式流量儀表分類圖
3、2熱式流量儀表的特點
隨著現(xiàn)在科技發(fā)展，微電子技術(shù)日新月異，熱式流量儀表也不斷改進之中。其主要特點如下：
（1） 能測極低流速(插入型侵入式儀表氣體下限流速低至0．03～0．08m／s之間)和微小流量(0．005 L／min)，流體工況(壓力、溫度)適應范圍寬，低壓氣體甚至可測真空狀分子流。
（2） 無活動部件，可靠性高；無壓力損失或壓力損失很小。
（3） 測氣體時常以標準狀態(tài)下體積流量單位表示，若標準狀態(tài)下密度不變(即組分不變)，則類似于質(zhì)量流量。
（4） 熱分布式儀表用于接近理想氣體的雙原子氣體，可直接用空氣校準流量，應用于其他氣體(H：CO等)只需按介質(zhì)種類作系數(shù)換算。熱消散效應侵入式儀表則必須用所測氣體校準。
（5） 熱式流量計屬于中等精確度的流量儀表。氣體用熱分布式儀表的流量基本誤差一般在±(1％ ～3％)Fs之間。熱消散效應插入型檢測頭(桿)本身的基本誤差一般為±2％FS，還應計入流通通道面積測量誤差、速度分布系數(shù)變化等不確定性，綜合一起約在±(1．5％ ～3％)Fs之間。熱消散效應侵入式接人型儀表經(jīng)實流校準，有較高精確度。
（6） 熱式流量儀表量程比較寬，通常在20～50之間，較優(yōu)者為100，較低者為10；上限范圍度通常在20～50之間。
（7） 可用管徑范圍大，從毛細管到電廠廢氣排放煙道、煙囪。
（8） 儀表系數(shù)隨氣體種類或混合氣體組分而變，不能測量質(zhì)量熱容(比熱容)變化的流體，更不能用于混相流體或可能產(chǎn)生相變流體以及含潮氣的氣體。
（9） 熱式儀表響應速度適應一般應用場合，時間常數(shù)一般為2-5秒，較快者0.3-0.5秒，薄膜式儀表最短僅需數(shù)十毫秒。Advtech 的RFS系列流量開關(guān)響應時間為1-3秒。有些型號儀表則長達數(shù)秒甚至幾十秒，用于控制系統(tǒng)應作必要修正。
（10） 對被測流體有一定地潔凈度要求。熱分布儀表測量管內(nèi)壁沉積塵垢會影響測量值，必須定期清除；毛細管型熱分布式儀表更有測量通道堵塞的缺點；插入式儀表要求相對低些，但檢測元件積聚塵埃也會影響測量值，可定期用工業(yè)酒精或者丙酮類溶劑清洗。
4、熱式流量儀表的應用
4、1 應用選擇
由于信號處理及數(shù)據(jù)輸出方式處理的不同，熱式質(zhì)量流量計的制造成本比流量開關(guān)的成本高出3-5倍，甚至10倍。很多場合其實只需要了解管路中流體是否達到某一設定控制流量，警示或者觸發(fā)控制下位設備改變工作狀態(tài)。這時，流量開關(guān)是最好的選擇。
（1）熱式質(zhì)量流量計主要應用于需要有計量考核或輸出的場合。
（2）熱式流量開關(guān)主要應用于警示管路中流體是否達到某一設定流動流量值，從而警示是否管路系統(tǒng)有故障阻礙了流體流動，設備需要維修；或者觸發(fā)下位設備，保護系統(tǒng)以免發(fā)生事故。
4、2 流量開關(guān)應用領(lǐng)域
（1）連續(xù)流體流動狀態(tài)監(jiān)控 如機械加工生產(chǎn)流水線上的冷卻循環(huán)系統(tǒng)。
（2）石油天然氣燃氣設備供氣或者排放過程流動狀態(tài)監(jiān)控。
（3）公用供水及水處理的監(jiān)控。
（4）電力行業(yè) 水電站排水及水輪機冷卻循環(huán)控制。熱電廠燃氣及空氣控制、冷卻循環(huán)系統(tǒng)控制。
（5）化學行業(yè) 煙氣循環(huán)監(jiān)測、采樣系統(tǒng)中氣體流量監(jiān)控、引風機的氣體流量控制、廢水處理循環(huán)系統(tǒng)監(jiān)控及冷卻循環(huán)系統(tǒng)。
（6）冶金行業(yè) 鋼鐵廠加氣監(jiān)控、焦化廠焦爐煤氣監(jiān)控、軋鋼廠加熱爐燃氣(高爐煤氣、焦化煤氣、天然氣等)的測量控制、冷卻系統(tǒng)監(jiān)控及水處理循環(huán)監(jiān)控
（7）紙漿與造紙行業(yè) 廢水處理系統(tǒng)監(jiān)控、煙道流量監(jiān)控、空氣送風監(jiān)控。
（8）食品及醫(yī)藥行業(yè) 加工操作中通風系統(tǒng)控制、鍋爐進氣﹑廢氣﹑過程控制
（9）環(huán)保 污水處理過程監(jiān)控、煙筒煙道排氣監(jiān)測。
（10）其他行業(yè) 工廠壓縮空氣監(jiān)控、水泥工業(yè)豎式磨粉機排放熱氣流量控制。
5、結(jié)語
有數(shù)據(jù)證明，在流量儀表出現(xiàn)的故障幾率上，選型不當占大約70%，流量儀表產(chǎn)品質(zhì)量或其他原因占30%，可見選型對流量儀表使用是多么重要。熱式流量儀表用戶方特別要注意，自己不要選定某種型號流量儀表，除非你是選擇做為更換原有的流量儀表，最好將這個工作交給賣方，因為他們是專業(yè)的。你只需要提供盡可能完整的工況數(shù)據(jù)和一些技術(shù)要求。比如流量范圍（建議流量單位采用標方），測量的介質(zhì)，管道的口徑，管道的材質(zhì)，工作壓力，工作溫度，是否要求防爆，流量計工作環(huán)境溫度，信號電源要求，精度等級，應用在什么工藝上（是過程控制還是貿(mào)易計量），測量介質(zhì)潔凈度如何。最后提醒一句：現(xiàn)場有條件的話，流量儀表選擇一體化。如果是分體，由于傳輸信號線纜是做為測量橋路的一部分，本身是有阻值的，不管做的如何出色，由于測量探頭的電阻值很小，這個線纜的阻值勢必影響到電子線路的運算和處理，再加上現(xiàn)場環(huán)境的影響，阻值會產(chǎn)生漂移。如果非要選擇分體的，建議這個分體距離選擇要越短越好。對于低價傾銷的產(chǎn)品，自己多留心。算算基本的成本看是否是能保障產(chǎn)品質(zhì)量的流量儀表產(chǎn)品，有一個最基本的成本是繞不開的。正確選擇熱式流量儀表最關(guān)鍵的是，要多學習，掌握測量原理和產(chǎn)品的性能，和產(chǎn)品廠家業(yè)務人員多做深入交流，明辨各品牌的特點。才能立足自我，正確選擇符合自己要求的熱式氣體質(zhì)量流量計產(chǎn)品。
服務熱線（期待您的來電）
027－88861346
掃描二維碼
