淺談熱式質量流量計的原理及應用

田麗霞

摘 要：本文闡述了熱式質量流量計的工作原理；與傳統流量計進行對比分析熱式質量流量計的優勢和不足；闡述了熱式質量流量計的應用概況和主要品牌；簡單介紹了熱式流量計如何選用。

關鍵詞：熱式質量流量計；TMF；測量原理；熱擴散

由于熱式流量計在測量精度、安裝、維修等方面的優勢，在熱電、污水、冶金、化工等各個行業廣泛應用。

1 測量原理

熱式質量流量計較廣泛采用的測量原理有兩種：一種是熱分布式原理，一般應用于微管式流量計用于測小流量；另一種是熱擴散式原理，分為恒功率法和恒溫差法。下面主要介紹下熱擴散式原理。

（1）恒溫差原理。如圖所示，傳感器有兩個RTD探頭，一個探頭RTD1溫度傳感器測量流體的溫度T1，另一個探頭RTD2速度傳感器在氣體溫度的基礎上再加恒溫△T（△T是通過惠斯通電橋給RTD2通電加熱），由于氣體流過速度探頭帶走了熱量，要保持△T的恒定，就要繼續補償電功率，而這個補償的電功率和流過的氣體質量流量成正比關系。

根據耗熱公式△P=CPM△T，知M=△P/ CP△T（△P –加熱電功率；M-流體質量；CP—流體比熱容；△T—恒溫）所以氣體質量流量與加熱電功率成正比律。

（2）恒功率原理。即：△P=CPM△T中，△P—恒定，△T隨流過的氣體質量流量加大而減小。

2 與傳統的差壓式流量計相比，熱式流量計具有諸多優勢

（1）精度高，不需溫壓補償。由測量原理可知，熱式質量流量計直接測得的是流體（氣體）質量流量，不需溫壓補償，精度可達±1%FS，可以貿易結算；差壓式流量計屬于體積流量計，氣體狀態方程可知，體積流量受氣體的溫度壓力影響較大，所以要溫壓補償，并且測量系統部件多、相對復雜，誤差累積較大，精度不高。

（2）安裝、維護成本低。熱式流量計結構簡單，一般不需維護，如果需要維護，可以實現在線不停產插拔維護；差壓式流量計定期檢查針型閥門、導壓管有無泄露、堵塞，定期排污、排氣等，工作量大，成本高。

（3）特別適合大管徑、底流速場合。插入式熱式流量計應用在大口徑管道性價比高；差壓流量計應用在大口徑管道上造價高，安裝困難，工程量大。

（4）量程比大。熱式質量流量計量程比可達100：1；差壓式流量計一般為5：1。

（5）響應時間短。熱式質量流量計響應時間1秒；差壓流量計響應時間很長，與引壓管路長短，粗細有關。

（6）壓損小。熱式流量計插入式基本沒有壓力損失，節約大量能源；差壓式流量計壓力損失很大，浪費能源。

3 熱式質量流量計的不足

（1）在應用中，氣體夾雜液體會使儀表讀數偏大，當探頭上液體被吹干后，讀數恢復正常；

（2）如果氣體中含有粉塵和水汽，氣體溫度下降后，粉塵和水將會凝混在一起，封堵住探頭，流量計無法正常工作，針對這一情況，廠家推薦購買在線插拔在線吹掃裝置，但是效果一般；

（3）在一些兩相流，多相流中，混合氣比重的變化，對測量值也會有影響。所以，熱式質量流量計不適用介質中含大量的水份，介質組分不穩定，含雜質粉塵較多的場合。

4 應用概況與主要品牌介紹

熱式流量計起源于美國，首先應用在宇航業的氣體質量流量控制上，后來在半導體行業上有所應用，并有很大發展。熱式流量計目前主要用于測量氣體，應用于測量精度要求較高，貿易結算的場合，或其他像孔板等差壓流量計、渦街流量計測量難以測量的環境下， 例如：鍋爐一次冷風、二次風質量流量測量保證空氣/燃料配比，以提高鍋爐使用效率及系統控制；磨煤機進風、出風及混合風的風量測量；循環流化床干燥器、點火器設備用煤氣管道，供風的流量、煤氣用量流量的測量；污水處理瀑氣測量；煤焦化中精制煤氣流量測量的等。

熱擴散式質量流量計知名進口品牌有：FCI/SIERRA /FOX/KURZ/ BINDER/ MAGNETROL/ E+H/ ABB。其中，FCI /MAGNETROL是恒功率式；SIERRA /FOX/KURZ/ E+H/ ABB是恒溫差式；在國內BINDER是唯一擁有兩種測量原理的制造商，出廠標定全根據應用類型選擇，也是唯一一家可以提供本安型熱擴散式熱式氣體質量流量計的廠家；MAGNETROL/ E+H/ ABB的熱式質量流量計不是主打產品，沒有競爭優勢； SIERRA既有工業型恒溫差熱擴散熱式流量計也有熱分布式微管式小流量計，其中工業型640S系列有防爆證書，熱分布式小流量100、800系列沒有防爆證書；FCI的恒功率熱式流量計在行業內屬于領軍品牌。

5 如何選用

在選型方面，首先應根據現場的應用環境選擇熱式流量計的形式。如果管徑DN80以內一般選擇管道式連接方式，管徑在DN200以上一般選擇插入式；如果測量的介質是易燃易爆或環境中含有可燃性粉塵、易燃易爆氣體，流量計要按具體情況選防爆型或本安型。

根據介質的特性選擇流量計的材質，如果是一般氣體如空氣、氮氣等選316不銹鋼材質；腐蝕性氣體如氯氣等一般選哈氏合金 C；如果介質的溫度超過177℃，選分體式流量計；溫度高于230℃按選型樣本選高溫型。

根據對輸出信號的要求選擇輸出信號的類型是4-20MA/0-10V DC等，有源輸出還是無源輸出，是否帶Hard協議，是否要RS232/RS484等數字通訊輸出。

參考文獻：

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