熱式質量流量計選型

選用考慮要點

1 應用概況

tmf目前絕大部分用于測量氣體，只有少量用于測量微小液體流量。

熱分布式儀表使用口徑和流量均較小，較多應用于半導工業外延擴散、石油化工微型反應裝置、鍍膜工藝、光導纖維制造、熱處理淬火爐等各種場所的氫、氧、氨、燃氣等氣體流量控制，以及固體致冷中固體氬蒸發等累積量和閥門制造中泄漏量的測量等。在氣體色譜儀和氣體分析儀等分析儀器上，用于監控取樣氣體量。分流型熱分布式儀表應用于30~50mm以上管徑時，通常在主流管道上裝孔板等節流裝置或均速管，分流部分氣體到流量傳感器進行測量。

 

冷卻效應的插入式tmf國外近10年在環境保護和流程工業中應用發展迅速，例如;水泥工業豎式磨粉機排放熱氣流量控制，煤粉燃燒過程粉/氣配比控制，污水處理發生的氣體流量測量，燃料電池工廠各種氣體流量測量等等。大管道用還有徑向分段排列多組檢測元件組成的插入檢測桿，應用于鍋爐進風量控制以及煙囪煙道排氣監測so2和nox排放總量。

 

液體微小流量tmf應用于化學、石油化工、食品等流程工業實驗性裝置，如液化氣流量測量，注入過程中控制流量;高壓泵流量控制的反饋量;藥液配比系統定流量配比控制;直接液化氣液態計量后氣化，供給工業流程或商業銷售。還有在色譜分析等儀器上用作定量液取樣控制以及用于動物實驗麻醉液流量測量。還未見到液體微小流量tmf國內定型產品。

 

2流體種類和物性

tmf只能用于測量清潔單相流體------氣體或液體，用氣體的型號不能用于液體，反之亦然。對于熱分布式氣體還必須是干燥氣體，不能含有濕氣。流體可能產生的沉積、結垢以及凝結物均將影響儀表性能。對于熱分布式tmf制造廠還應給出接受的不清潔程度，例如大部分給出允許微粒粒度，用戶可按此決定是在儀表前裝過濾器。浸入式tmf對清潔度要求低些，則可用于測量煙道氣，但必須裝有閥等插入機構，能再不停流條件下去取出檢測頭。

 

(1) 流體的比熱容和熱導率

從式1和式2可知，tmf工作時流體的比熱容和熱導率保持恒定才能測量準確。被測介質工況溫度、壓力變化范圍不大，僅在工作點附近波動，比熱容變化不大，可視作常數。若工作點壓力溫度遠離校準時壓力溫度，則必須在該工作點壓力溫度下調整。表2列出幾種氣體在不同壓力溫度下的定壓比熱容，可看到其變化程度。

注： 1cal/ (g?k)=4186.8j/ (kg?k)

 

(2) 流量值的換算

熱分布式tmf制造廠通常用空氣或氮氣在略高于常壓的室溫工況條件下標定(校準)。如實際使用工況有異或不用于同一氣體，均可通過各自條件下比熱容或換算系數換算。

 

1) 同一氣體不同工況的流量換算 從表2的數值可以看出空氣、氬氣、一氧化碳、氮氣、氧氣壓力在1mpa以下、溫度在400k以下變化，定壓比熱容變化僅在1%~2%之間，大部分使用場所可不作換算;壓力溫度變換較大時也可利用式6計算，因為同一氣體兩種工況條件下定壓比熱容的比值與摩爾定壓比熱容的比值是相等的。

 

2) 不同氣體間流量換算 有些制造廠的使用說明書給出以空氣為基數的轉換系數f，可按式6換算;也可直接以標定(校準)氣體和實際使用氣體的摩爾定壓比熱按式6換算，但因還有熱導率等其他因素，換算后精度要降低些。表3給出若干氣體按摩爾定壓比熱容直接計算和若干制造廠提供的兩種轉換系數數據，其中freon12兩者差別較大。

各廠提供的轉換系數單雙原子氣體差別較小，僅百分之幾;烴類氣體則差別較大，達20% ~30%。

(5)   

(6)   

式中 qm-----儀表標定的質量流量，但通常以標準狀態體積流量表征，l/h(標準狀態);

qm" -------特使用氣體的質量流量。l/h(標準狀態);

cp-------標定氣體的摩爾定壓比熱容，通常為空氣，j/ (moi·k);

c"p-------待使用氣體的摩爾定壓比熱容，j/ (moi·k)。

浸入式tmf由于式(3)和式(4)中各系數由各個檢測元件幾何形狀和所測氣體而定，所以目前通常只能在實際使用條件下個別校準。

 

3) 混合氣體的換算的轉換系數 混合氣體的換算亦按式6進行，惟其轉換系數fmix按式7合成

(7)   

式中 v1,v2,----vn為各成分氣體體積的占有率;f1,f2,-----fn為各成分氣體的轉換系數。

 

(3)流體中含有異相和低沸點液體

氣體用儀表，熱分布式必須是清潔氣體，不能有固相，浸入式則可允有微粒，但均不得含有水氣。測量液體時如混入氣泡會產生測量誤差。

由于大部分tmf要帶給流體一定熱量，流體溫度會升高，如所測液體是低沸點液體，應考慮液體汽化氣化問題，必要是時選用致冷元件的tmf。

 

3 儀表性能考慮

(1) 流量范圍、流速和范圍度

tmf的流量應以單位時間流過的質量來表示，但測量氣體時習慣上亦常以計算到標準狀態下單位時間流過的體積表示。流速亦以標準狀態下單位時間流過距離的長度表示。與其他流量計相比，tmf適用于低流速范圍，特別是小口徑熱分布式;帶測量短管浸入檢測桿式可選上限(滿度)流速范圍較寬，上限范圍度(最大上限流量/最小上限流量)在10~ 30(th1200型)和60 ~80 (th1300型)之間。

插入式tmf的上限流速選擇范圍較寬，可在0.5~100m/s,但較多用于3~60m/s之間，視儀表結構設計而異。插入式tmf 適用于低流速煙道氣測量。

液體用tmf的上限流量很小，國外現有產品上限流量范圍在10-1~102g/min數量級之間;流量范圍度在10:1~50:1之間。

 

(2)精確度和重復性

tmf 具有中等測量精確度。熱分布式的基本誤差通常在±(2~2.5)%fs之間。國外設計優良的產品則有較高精確度，基本誤差為±1%fs，重復性則在0.2%~0.5%fs之間。帶測量短管浸入式的基本誤差相仿，亦在±(2~2.5)%之間，設計優良的產品可達±2%r。插入式除儀表本身基本誤差外，還應加上流速分布系數變化影響等，單點測量影響較大，多點或多檢測桿則影響較小，合計約在±(2.5~5)%fs之間。

插入式儀表檢測的點數視流通面積和流動狀況而定，有制造廠在正常流速分布流動狀況下，推薦檢測點數為：;圓管直徑在200mm以下為單位單點，200~300mm為雙點，350~700mm為3~4點，750~1200為5點，1250mm以上為6點。矩形管面積0.05m2以下為單點，0.1~0.2m2為2~4點，0.2~2.5mm2為4~12點，2.5m2以上為12~20為點。

 

(3) 響應性

在流量儀表中tmf的響應時間是比較長的，時間常數一般為2~5s，響應較快者為0.5s，有些型號長達數秒、十幾秒甚至幾十秒者。若應用于控制系統不能選用響應時間長的儀表。

 

(4) 流體溫度，環境溫度和環境溫度影響量

流體使用溫度一般為0~500c，范圍較寬者為─10~1200c，應用于窯爐或煙道的高溫高粉塵型則可高達5500c。加熱熱源溫度高于氣體數十度(k)。

測量氣體時流體溫度變化，不像體積流量儀表那樣氣體體積變化改變所測(體積)流量，并不影響質量流量，然而如前文所述若溫度變化過大，比熱容的變化會導致量程變化。這種影響因氣體種類而異，如空氣、氮氣、氧氣、氫氣等影響量不大;但有些氣體例如甲烷壓力在0.1mpa，溫度從300k升高到400k定壓比熱容要增加11.1%(見表2)此外還有零點偏移影響。

環境溫度適用范圍通常為(0~50)0c。較寬者為(─10~ +80)0c。環境溫度激烈變化將影響經外殼散失的熱量，導致測量值的變化，包括零點偏移和量程變化。環境溫度影響量一般為±(0.5~1.5)%/10k，但也有一些制造廠聲稱無環境溫度影響。

 

(5) 壓力損失

氣體用儀表壓力損失很小，滿量程流量時熱分布式壓力損失均在10kpa以下，其中帶層流分流部件(或無分流部件)的小管型，如ldg-1db、ldg-2db型僅數十帕;浸入式亦僅數十帕。