氣體質(zhì)量流量計(jì)的工作原理

測(cè)量氣體用的*多的就是氣體質(zhì)量流量計(jì)了，但很多人針對(duì)氣體質(zhì)量流量計(jì)還不太了解，那么**找來(lái)有關(guān)專(zhuān)家為大家概述氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理。

 

氣體質(zhì)量流量計(jì)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)tme)是利用傳熱原理，即流動(dòng)中的流體與熱源(流體中加熱的物體或測(cè)量管外加熱體)之間熱量交換關(guān)系來(lái)測(cè)量流量的儀表，過(guò)去我國(guó)習(xí)稱(chēng)量熱式流量計(jì)。當(dāng)前主要用于測(cè)量氣體。

 

20世紀(jì)90年代初期，**范圍tmf銷(xiāo)售金額約占流量?jī)x表的8%，約4.5萬(wàn)臺(tái)。國(guó)內(nèi)90年代中期銷(xiāo)售量估計(jì)每年1000臺(tái)左右。過(guò)去流程工業(yè)用儀表主要是熱分布式，近幾年才開(kāi)發(fā)熱散(或冷卻)效應(yīng)式。

 

1. 原理和結(jié)構(gòu)

熱式流量?jī)x表用得*多有兩類(lèi)，即1)利用流動(dòng)流體傳遞熱量改變測(cè)量管壁溫度分布的熱傳導(dǎo)分布效應(yīng)的熱分布式流量計(jì)(thenmai prohie fiowmeter)曾稱(chēng)量熱式tmf;2)利用熱消散(冷卻)效應(yīng)的金氏定律(king s iaw)tmf。又由于結(jié)構(gòu)上檢測(cè)元件伸入測(cè)量管內(nèi)，也稱(chēng)浸入型(immersion type )或侵入型(intrusion type)。有些在使用時(shí)從管外插入工藝管內(nèi)的儀表稱(chēng)作插入式(insertion type)。

 

1.1熱分布式tmf

熱分布式tmf的工作原理如圖1所示，薄壁測(cè)量管3外壁繞著兩組兼作加熱器和檢測(cè)元件的繞組2，組成惠斯登電橋，由恒流電源5供給恒定熱量，通過(guò)線(xiàn)圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱的傳遞可以看作熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)的。在流量為零時(shí)，測(cè)量管上的溫度分布如圖下部虛線(xiàn)所示，相對(duì)于測(cè)量管中心的上下游是對(duì)稱(chēng)的，由線(xiàn)圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態(tài);當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如實(shí)線(xiàn)所示，由電橋測(cè)出兩組線(xiàn)圈電阻值的變化，求得兩組線(xiàn)圈平均溫度差δt。便可按下式導(dǎo)出質(zhì)量流量qm，即

(1)   

式中 cp -------被測(cè)氣體的定壓比熱容;

a -------測(cè)量管繞組(即加熱系統(tǒng))與周?chē)h(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳導(dǎo)系數(shù);

k -------儀表常數(shù)。

 

在總的熱傳導(dǎo)系數(shù)a中，因測(cè)量管壁很薄且具有相對(duì)較高熱導(dǎo)率，儀表制成后其值不變，因此a的變化可簡(jiǎn)化認(rèn)為主要是流體邊界層熱導(dǎo)率的變化。當(dāng)使用于某一特定范圍的流體時(shí)，則a、cp均視為常量，則質(zhì)量流量?jī)H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(cè)量范圍，儀表出口處流體不帶走熱量，或者說(shuō)帶走熱量*微;超過(guò)a點(diǎn)流量增大到有部分熱量被帶走而呈現(xiàn)非線(xiàn)性，流量超過(guò)b點(diǎn)則大量熱量被帶走。

 

測(cè)量管加熱方式大部分產(chǎn)品采用兩繞組或三繞組線(xiàn)繞電阻;除管外電阻絲繞組加熱方式外還有利用管材本身電阻加熱方式，如表1所示。測(cè)量管形狀有直管形，還有∏字形結(jié)構(gòu)，三繞組中一組在中間加熱，兩組分繞兩臂測(cè)量溫度。

表 1 測(cè)量管加熱和檢測(cè)方式

 

為了獲得良好的線(xiàn)形輸出，必須保持層流流動(dòng)，測(cè)量管內(nèi)徑d設(shè)計(jì)得很小而長(zhǎng)度l很長(zhǎng)，即有很大l/d比值，流速低，流量小。為擴(kuò)大儀表流量，還可采用在管道內(nèi)裝管束等層流阻流件;擴(kuò)大更大流量和口徑還常采用分流方式，在主管道內(nèi)裝層流阻流件(見(jiàn)圖3)以恒定比值分流部分流體到流量傳感部件。有些型號(hào)儀表也有用文丘里噴嘴等代替層流阻流件。

 

市場(chǎng)上熱分布式tmf按測(cè)量管內(nèi)徑分為細(xì)管型(也有稱(chēng)毛細(xì)管型)和小型兩大類(lèi)，結(jié)構(gòu)上有較大區(qū)別。小型測(cè)量管儀表只有直管型，內(nèi)徑為4mm;細(xì)管型測(cè)量管內(nèi)徑僅0.2~0.5mm。稍大者為0.8~1mm，*容易堵塞，只適用于凈化無(wú)塵氣體。細(xì)管型儀表還有一種帶有調(diào)節(jié)單元和控制閥等組成一體的熱式質(zhì)量流量控制器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

 

1.2基于金氏定律的浸入型tmf

金氏定律的熱絲熱散失率表述各參量間關(guān)系，如式2所示。

(2)   

 

式中 h/l -------單位長(zhǎng)度熱散失率，j/m?h;

δt--------熱絲高于自由流束的平均升高溫度，k;

λ --------流體的熱導(dǎo)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，兩溫度傳感器(熱電阻)分別置于氣流中兩金屬細(xì)管內(nèi)，一熱電阻測(cè)得氣流溫度t;另一細(xì)管經(jīng)功率恒定的電熱加熱，其溫度tv高于氣流溫度，氣體靜止時(shí)tv*高，隨著質(zhì)量流速ρu增加，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測(cè)得溫度差δt=tv-t.這種方法稱(chēng)作“溫度差測(cè)量法”或“溫度測(cè)量法”。

 

消耗功率p和溫度差δt如式3所示比列關(guān)系，式中b, c, k均為常數(shù)，k在?~?之間。從式2便可算出質(zhì)量流速，乘上點(diǎn)流速于管道平均流速間系數(shù)和流通面積的質(zhì)量流量qm，再將式3變換成式4。

(3)   

(4)   

 

式4中e是與所測(cè)氣體物性如熱導(dǎo)率、比熱容、粘度等有關(guān)的系數(shù)，如果氣體成分和物性恒定則視為常數(shù)。d則是與實(shí)際流動(dòng)有關(guān)的常數(shù)。

若保持δt恒定，控制加熱功率隨著流量增加而增加功率，這種方法稱(chēng)作“功率消耗測(cè)量法”。