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热式质量流量计 ThermalMassFlow TMF 培训教程 热式质量流量计 ThermalMassFlow TMF 利用流动中的流体与热源 流体中外加热的物体或测量管外加热体 之间热量交换关系来测量流量的仪表 TMF用的最多的有两类 用于气体测量 1 热分布式流量计 thermalprofileflowmeter 利用流动流体传递热量 改变测量管壁温度分布的热传导分布效应 这种质量流量计 曾称量热式流量计 2 金氏定律热式流量计 King slawTMF 利用热消散 冷却 效应 这种流量计由于在结构上检测元件伸入测量管内 也称浸入型 immersiontype 或侵入型 intrusiontype 按照热式质量流量计的原理 有的公司也推出了适用于液体微小流量测量的TMF 内容 一 热分布式TMF原理分类二 基于金氏定律的浸入型TMF热散失率公式温度测量法功率消耗测量法 恒温差测量法 三 液体TMF原理特点四 TMF的特点优点缺点 五 TMF的分类六 TMF选用考虑要点七 TMF选用八 TMF安装使用九 TMF应用举例 一 热分布式TMF 热分布式TMF 原理 1 流量传感器由细长的测量管和绕在其外壁上的加热器及感温元件组成 加热器线圈布置在测量管的中央 它将管壁及管内的流体加热 在加热线圈两边对称位置绕有两个感温热电阻R1和R3 测量与加热线圈对称的上 下游处管壁的温度T1 T2 R1 R2与另外两个电阻组成惠斯登电桥 以测量温差 T T T2 T1 加热器提供恒定的热量 通过线圈绝缘层 管壁 流体边界层传导热量给管内流体 边界层内热量的传递可以看作是由热传导方式实现的 热分布式TMF 原理 2 在流量为零时 测量管上的温度分布如图中的虚线所示 相对于测量管中心的上 下游是对称的 电桥处于平衡状态 当流体流动时 流体将上游的部分热量带给下游 导致温度分布变化如实线所示 由电桥测出两感温体的平均温差 T 便可按下式导出质量流量qm 即 式中 A 感温元件周围环境热交换系统间的热传导系数 cp 被测气体的定压比热容 K 仪表系数 总的热传导系数A中 因测量管壁很薄且具有相对较高的热导率 仪表制成后其值不变 因此A的变化可简化认为主要是流体边界层热导率的变化 当使用于某一特定范围的流体时 A和cp都可视为常数 则质量流量仅与温差 T成正比 如图Oa段所示 Oa段为仪表正常测量范围 仪表出口处流体不带走热量 或者说带走热量极微 超过a点流量增大到有部分热量被带走而呈现非线性 流量超过b点则大量热量被带走 TMF用于测量微小流量 热分布式TMF 原理 3 热分布式TMF 原理 4 测量管加热方式 测量管加热方式大部分产品采用两绕组或三绕组线绕电阻 除管外电阻丝绕组加热方式外还利用管材本身电阻加热方式 如下表所示 测量管形状有直形管 还有 字形结构 三绕组中一组在中间加热 两组分绕两壁测量温度 热分布式TMF 原理 5 为了获得良好的线性输出 必须保持层流流动 测量管内径D设计的很小而长度L很长 即有很大L D比值 流速低 流量小 为了扩大仪表流量 还可采用在管道内装管束等层流阻流件 扩大更大流量和口径还常采用分流方式 在主管道内装层流阻流件 见图 以恒定比值分流部分流体到流量传感部件 热分布式TMF 原理 6 以上这种气体质量流量计是假定气体的定压比热容cp为恒定值 但当被测气体是混合气体时 定压比热容cp的值将随组份比发生变化 以致在实际使用时 当被测气体组份发生变化时 会带来显著的测量误差 必须进行校正 内容 热分布式TMF 分类 热分布式TMF按测量管内径分为两大类细管型 也有称毛细管型 细管型测量管内径仅0 2 0 5mm 稍大者为0 8 1mm 极易堵塞 只适用于净化无尘气体 小型 内容 细管型仪表还有一种带有调节单元和控制阀等组成一体的热式质量流量控制器 二 基于金氏定律的TMF 一 基于金氏定律的浸入型TMF 热散失率 金氏定律的热丝热散失率表述各参量间的关系 式中 H L 单位长度热散失率 J m h T 热丝高于自由流束的平均升高温度 K 流体的热导率 J h m K cv 定容比热容 J kg K 密度 kg m3 V 流体的流速 m h d 热丝直径 m 链接 内容 二 基于金氏定律的浸入型TMF 温度测量法 右图为浸入型TMF原理图 两温度传感器 热电阻 分别置于气流中两金属细管内 一热电阻测得气流温度T 另一细管经功率恒定的电热加热 其温度TV高于气流温度 气体静止时TV最高 随着质量流速 V 的增加 气流带走更多热量 温度下降 测得温度差 方法一 温度差测量 温度测量法 质量流速 V 与温度差之间成一定的函数关系 内容 三 基于金氏定律的浸入型TMF 功率消耗测量法 恒温差测量法 根据金氏定律的热丝热散失率表述的各参量间的关系 得到质量流速 再乘上点流速与管道平均流速间系数和流通面积得质量流量qm 消耗功率P和温度差 T之间的关系 式中B C K均为常数 K在1 3 1 2之间 再将上式变换成 式中 E是与所测气体物性如热导率 比热容 粘度等有关的参数 如果气体成份和物性恒定则视为常数 D是与实际流动有关的常数 方法二 功率消耗测量法 恒温差测量法 保持 T恒定 控制加热功率随着流量增加而增加 返回 链接 内容 三 液体热式质量流量计 适用于液体微小流量测量 以下为一种类型液体质量流量计的实际功能图 内容 一 液体热式质量流量计 原理 在特殊设计的传感器中 流体在测量管内流动 测量管中点温度T4被控制在比进口温度T3高20 的恒定值 热量是垂直于管道轴线方向传送给流体 在区域1和区域2 流体分别被轻微地加热和冷却 流体温度从T2变化到T1 建立了垂直于测量管的能量流 该能量流经温度传感器测量 其温度差值 T T1 T2与质量流量成精确的线性关系 内容 二 液体热式质量流量计 特点 这种类型的TMF其测量范围有0 200g h和0 1000g h 用水标定 两种 流体粘度允许高达200mPa s 仪表最大压差4MPa 流量测量精确度为 0 5 FS 内容 四 TMF的特点 优点 1 可测微小流量热分布式TMF可测量低流速 气体0 02 2m s 微小流量 浸入式TMF可测量低 中偏高流速 气体2 60m s 插入式TMF适合于大管径 2 无活动部件3 压力损失小无分流管式的热分布式仪表无阻流件 压力损失很小 带分流管的热分布式仪表和浸入型仪表 虽在测量管道中置有阻流件 但压力损失也不大 4 热分布式仪表用于H2 N2 O2 CO NO等接近理想气体的双原子气体 不必用这些气体专门标定 直接用空气标定的仪表 实验证明差别仅2 左右 用于Ar He等单原子气体则乘系数1 4即可 用于其他气体可用比热容换算 但偏差可能稍大些 气体的比热容会随着压力温度而变 但在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数 内容 四 TMF的特点 缺点 1响应慢 2被测气体组份变化较大的场所 因cp值和热导率变化 测量值会有较大变化而产生误差 对于小流量 仪表会给被测气体带来相当的热量 对于热分布式TMF 被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值 必须定期清洗 细管型仪表易堵 对脉动流在使用上受到限制 液体用TMF对于粘性液体在使用上受到限制 内容 五 TMF分类 按流体对检测元件热源的热量作用 热量传递转移效应将测量管上游部分热量通过流体转移给下游部分 如热分布式TMF 热量消散效应或冷却效应如浸入式TMF 按检测变量 温度测量法以恒定功率提供热量 测量随着流量而变的温度 又称定功率测量法 功率消耗测量法保持加热元件和被测流体温度差恒定 控制和测量热源提供功率 功率消耗随着流量增加而增加 又称恒温差测量法 按流量传感器结构 有测量管的 接入管道式流量传感器必须在管道待测位置截断后接入 插入式插入检测控头到待测管道内 按测量流体 气体用 液体用 内容 六 TMF选用考虑要点 1 1 TMF目前绝大部分用于测量气体 只有少量用于测量微小液体流量 2 热分布式仪表使用口径和流量均较小 较多应用于石油化工微型反应装置 镀膜工艺 光导纤维制造 热处理淬火炉等各种场所的氢 氧 氨 燃气等气体流量控制 以及固体致冷中固体氩蒸发等累积量和阀门制造中的泄漏量的测量等 在气体色谱仪和气体分析仪等分析仪器中用于监控取样气体量 分流型热分布式仪表应用于30 50mm以上管径时 通常在主流管道上装孔板等节流装置或均速管 分流部分气体到流量传感器进行测量 六 TMF选用考虑要点 2 3 冷却效应的插入式TMF国外近年在环境保护和流程工程工业中应用发展迅速 例如 水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制 煤粉燃烧过程粉 气配比控制 污水处理发生的气体流量测量 燃料电池工厂各种气体流量测量等等 大管道用还有径向分段排列多组检测元件组成的插入检测杆 应用于锅炉进风量控制以及烟囱烟道排气监测SO2和NO2排放总量 4 液体微小流量TMF应用于化学 石油化工 食品等流程工业实验性装置 如液化气流量测量 注入过程中控制流量 高压泵流量控制的反馈量 药液配比系统定流量配比控制 还有在色谱仪等仪器上用作定量液取样控制以及用于动物实验麻醉液流量测量等等 内容 2020 3 18 25 可编辑 七 TMF选用 1 流体种类和物性 只能用于测量清洁单相流体 气体或液体 用于气体的型号不能用于液体 反之亦然 对于热分布式TMF 所测量的必须是干燥气体 不能含有湿气 流体可能产生的沉积 结垢以及凝结物均将影响仪表性能 对于热分布式TMF 制造厂应给出可接受的不清洁程度 例如大部分给出微粒粒度 用户按此决定是否在仪表前装过滤器 侵入式TMF对清洁度要求低些 可用于测量烟道气 但必须装有插入机构 能在不停流条件下取出检测头 七 TMF选用 2 流体的比热容和热导率 TMF工作时流体的比热容和热导率必须保持恒定才能测量准确 被测介质工况温度 压力变化范围不大 仅在工作点附近波动 比热容变化不大 可视为常数 若工作点压力温度远离校准时压力温度 则必须在该工作点压力温度下调整 七 TMF选用 3 流量值的换算 热分布式TMF制造厂通常用空气或氮气在略高于常压的室温工况条件下标定 校准 如实际使用工况有异或不用于同一气体 均可通过各自条件下的比热容或换算系数换算 1 同一气体不同工况的流量换算2 不同气体间流量换算有些制造厂的使用说明书给出以空气为基数的转换系数F 可按换算 3 混合气体的换算按进行 其中转换系数Fmix按下式合成 式中 V1 V2 Vn为各成份气体体积的占有率 F1 F2 Fn为各成份气体的转换系数 几种气体的转换系数F 续 几种气体的转换系数F 七 TMF选用 4 流体中含有异相和低沸点液体 气体用仪表 热分布式必须是清洁气体 不能有固相 浸入式则可允许有微粒 但均不得含有水汽 测量液体时如混入气泡会产生测量误差 由于大部分TMF要带给流体一定的热量 流体温度会升高 如所测液体是低沸点液体 应考虑液体气化问题 必要时选用具有致冷元件的TMF 七 TMF选用 5 流量范围 流速和范围度 TMF的流量应以单位时间内流过的质量来表示 但测量气体时习惯上常以计算到标准状态下单位时间流过的体积表示 流速也以标准状态下单位时间流过距离的长度表示 与其他流量计相比 TMF适用于低流速范围 特别是小口径分布式 带测量短管浸入检测杆式可选用上限 满度 流速范围较宽 上限范围度 最大上限流量 最小上限流量 在10 30 TH1200型 和60 80 TH1300型 之间 插入式TMF的上限流速选择范围较宽 可在0 5 100m s 但较多用于3 60m s之间 视仪表结构设计而异 插入式TMF适用于低流速烟道气测量 液体用TMF上限流量很小 国外现有产品上限流量范围在10 1 102g min数量级之间 流量范围度在 10 1 50 1 之间 七 TMF选用 6 精确度和重复性 热分布式的基本误差通常在 2 2 5 FS之间 具有中等测量精确度 国外设计优良的产品则有较高精确度 基本误差为 1 FS 重复性则在0 2 0 5 FS之间 设计优良的产品可达 2 R 插入式除仪表本身基本误差外 还应加上流速分布系数变化影响等 七 TMF选用 7 响应性 在流量仪表中TMF的响应时间是比较长的 时间常数一般为2 5s 响应较快者为0 5s 有些型号长达数秒 十几秒甚至几十秒 应用于控制系统不能选用响应时间长的仪表 七 TMF选用 8 流体温度 环境温度和环境温度影响量 流体使用温度一般为0 50 范围较宽者为 10 120 应用于窑炉或烟道的高温高粉尘则可高达550 加热热源高于气体数十度 K 测量气体时流体温度变化 不像体积流量仪表那样气体体积变化改变所测的体积流量 并不影响质量流量 然而 若温度变化过大 比热容的变化会导致量程变化 这种影响因气体种类而异 如空气 氮气 氧气 氢气等影响量不大 但有些气体如甲烷压力在0 1MPa 温度从300K升高到400K定压比热容要增加11 1 此外还有零点偏移影响 环境温度适用范围通常为 0 50 较宽者为 10 80 环境温度激烈变化将影响经外壳散失的热量 导致测量值的变化 包括零点偏移和量程变化 环境温度影响量一般为 0 5 1 5 10K 但也有一些制造厂声称无环境湿度影响 七 TMF选用 9 压力损失 气体用仪表压力损失很小 满量程流量时热分布式压力损失均在10kPa以下 其中带层流分流部件或无分流部件的小管型 如LDG 1DB LDG 2DB型仅数十帕 浸入式亦仅数十帕 内容 八 TMF安装使用 1 安装姿势 方向 热分布式大部分热分布式TMF的流量传感器可任何姿势 水平 垂直或倾斜 安装 有些仪表只要安装好后在工作条件压力 温度下作电气零点调整 然而有些型号仪表对安装姿势具有敏感性 大部分制造厂会对安装姿势影响和安装要求作出说明 例如 LDG DB系列为减少环境气氛对流传热影响 只能水平安装 水平度允差 2 应用于高压气体时流量传感器则宁可选择水平安装 因为这样便于做到调零的零偏置 浸入式大部分浸入式TMF性能不受安装姿势影响 然而在低流速测量时因受管道内气体对流的热流影响 使安装姿势显得重要 因此在低和非常低流速流动时要获得精确测量 必须遵循制造厂依据仪表设计结构而定的安装建议 八 TMF安装使用 2 前置直管段 热分布式此类仪表对上下游配管布置不敏感 通常认为无上下游直管段要求 国际标准草案ISO DIS11451认为 流量测量不受旋转流和流速场剖面畸变影响 BS7405却认为 1 上下游直管段长度可小至2D 2 在进口端置一金属或塑料网 可有效地改善流速分布畸变 得到分布均匀的气流 3 要防止从小管径突然扩大进入较大口径仪表 要缓慢过渡 浸入式带测量管的浸入式流量传感器和插入式仪表需要一定长度前置直管段 ISO DIS11451未作具体规定 而按照制造厂建议的值 BS7405建议 对于在管道中用插入热式流量计时 需要 8 10 D的上游直管段和 3 5 D的下游直管段 下表是Sierra公司对带测量管浸入式TMF所规定的上游直管段长度 若在其进口端装一块或两块多孔板式流动调整器 整流器 后 则其长度可大为缩短 如下表最右列所示 八 TMF安装使用 3 前置直管段 续 只有一组温度检测点的插入式仪表与带测量管浸入式仪表的上游直管段长度要求相近 只相差检测杆到测量管进口端的距离 多组检测点的检测杆或多根检测杆的TMF 直管段长度可缩短很多 通常制造厂会提供建议 八 TMF安装使用 4 仪表连接管道的振动 脉动流的影响 仪表连接管道的振动连接TMF的管道在常见实际范围内的振动不会产生振动干扰 在正常情况下不影响仪表的测量性能 只有插入式TMF的检测杆必须牢固地固定于管道 并避免装在有振动的场所 脉动流的影响TMF响应时间长 不适应脉动流流量测量 若要用作测脉动流流量 应了解TMF响应性 以保证能跟随得上脉动的速度变化 脉动引起的测量误差通常使仪表输出偏高 其程度取决于脉动幅值和频率 内容 九 TMF应用举例 5850i质量流量控制器 仪征化纤给排水厂于1995年引进了3套在线COD分析仪 分析仪采用氧气吹扫脱除二氧化碳及利用臭氧氧化有机物的方式 氧气及臭氧的定量控制通过5850i型质量流量控制器来实现 该控制器由Rosemount的Brooks公司生产 流量测量原理 5850i 精密电源给加热器提供持续的电流 加热器置于测量导管的中间点 当零流量时 上下游的温度是相等的 即T1等于T2 当有气体通过测量导管时 导管上游温度 而在下游由于气体吸收了热量 则 T1与T2之间的温度差与气体的质量流量成正比 下降 T2 T1 T1与T2之间的温度差与气体质量流量的关系 T APCPqm式中 T T2 T1 K CP 在一定压力下气体的比热 kJ kg K P