知識||熱式氣體質量流量計的應用和選型

　　熱式氣體質量流量計由于自身的優良特性正被越來越多的用戶認可和使用，現已應用在許多氣體流量測量場合。但是在這些應用中也存在著許多問題和誤區，許多生產廠家不負責任的宣傳誤導以及產品的質量缺陷使產品使用出現了許多障礙和盲區，造成許多用戶對熱式氣體質量流量計產生誤解，有的是盲目的認為熱式流量計可以測量所有工況條件下的氣體，有的是對熱式流量計排斥和反對。本人這幾年致力于推廣和宣傳熱式氣體流量計產品，接觸了多個國內國外品牌的流量計，也在實際推廣中碰到了許多應用問題，積累了大量的案例，在總結這些案例，得到了一些自己的感悟，愿意拿出來和各位朋友分享。
 

　　本篇將從專業的角度為大家解答疑惑，幫助各行業的熱工人員正確選擇熱式氣體質量流量計。我們將從三個方面來一一闡述：
 

　　一.正確認識熱式氣體質量流量計原理
 

　　熱式氣體質量流量計的起源是來自于熱線式風速計。鉑電熱絲的溫度與流體流速的變化有一個比例關系：流速越快，帶走的熱量越多。下面簡單說明為什么通過檢測熱量的變化就能得到氣體的質量流量。
 

　　公式：H=m×Cp×ΔT
 

　　測的熱量H，同時固定溫度差ΔT，對于固定比熱容Cp的氣體，就可以直接求得氣體的質量流量m。
 

　　下面我們在從微觀上說明為什么是氣體直接質量流量測量。
 

　　圖片
 

　　如圖所示，氣體分子與加熱壁接觸完成熱傳導而帶走探針上的熱量。由于不同氣體分子帶走熱量的能力不一樣，所以在已知氣體分子導熱能力的情況下(Cp值已知)，可以通過測量耗散的電功率直接獲得流過的氣體分子數(氣體分子數也就是質量數)，從而獲得氣體的質量流量。
 

　　我們將公式：H=m×Cp×ΔT變換一下，可以得到：m=H/Cp×ΔT
 

　　其中：m是氣體質量流量
 

　　H是補償的電功率大小
 

　　Cp是定壓比熱容，與氣體種類有關
 

　　ΔT是兩探頭間的溫度差
 

　　從上面公式可以引申出兩種熱式原理：把分母的溫度差恒定，通過實時測量氣體帶走熱量H的大小來得到氣體的質量流量，這就是目前市場上主流的恒溫差熱式。如果把分子的熱量H恒定，實時測量溫度差的大小來得到氣體質量流量，就是恒功率熱式。
 

　　恒溫差原理具有非常好的的低流量特性，即使質量流速低到0.1Nm/s都有很好的線性。此外還具有快速響應的能力。恒功率原理可以檢測較高的流速變化，在大流速應用場合有非常好的表現力，但低流速特性不如恒溫差，其次響應時間相對于恒溫差較差。
 

　　二.正確認識熱式氣體質量流量計優異性能
 

　　一個好品質的熱式流量計產品必須具備兩個主要的特點：好的探頭制造工藝和完整的實流標定裝置。我們分別來分析這兩大特點：
 

　　a.探頭制造工藝:前面我們談了熱式流量計的原理，我們從原理上可以看出探頭是整個熱式氣體質量流量計的核心，它的性能優劣可以決定流量計的測量精度、重復性、使用壽命、低流速特性。探頭是由鉑金電阻絲、護套不銹鋼組成。鉑金電熱絲導電，護套不銹鋼也導電，這就要求他們之間的填隙物必須要導熱性能非常好，但是又不能導電。這個就引出了所有熱式流量計的核心——加熱探針的填隙材料及封裝工藝：
 

　　填隙層越厚，雖然絕緣性好了，但是導熱的性能就差，且溫度的靈敏性也差，同時響應滯后。填隙物如果是有機物，容易老化導致填料出現裂縫，流量計就表現為零點漂移。填隙物內如果有微小的空氣，由于此探針一直處于加熱狀態，微小的空氣膨脹，引起零點波動。
 

　　傳統的熱式質量流量計加熱的速度傳感器封裝于不銹鋼管探針端部，并在傳感器和不銹鋼管內壁之間灌注混合物。該混合物必須電絕緣的同時又保證較小的熱阻，一般為環氧樹脂、陶制水泥、耐熱膏脂或者氧化粉、氧化鎂粉等。這些采用如上填料的“濕”傳感器存在一些缺陷：比如它的表面熱阻會隨使用時間的加長不斷增加，使得輸出曲線呈下降趨勢，導致傳感器靈敏度降低，終影響了測量精度。“濕”傳感器的填充物由于與速度傳感器的熱膨脹系數不同，隨著使用時間的加長會產生老化、龜裂等現象，終會導致傳感器的測量精度超差，且難以維持長期精度。這樣的封裝和填料，短時間看不出區別，但是半年一年后就可以發現重復性變差、零飄等問題。右邊是美國SIERRA的熱式流量計探頭解刨圖，斯亞樂的速度傳感器是目前全球的一種真正的“干”的傳感器。它*的封裝工藝使得速度傳感器與不銹鋼內壁之間填充，且不使用有機物作為填料，而是鉑銥無機物。斯亞樂熱式流量計產品的靈敏度、重復性都達到*化，在任何時候速度傳感器內填料都不會有裂縫產生，也不會有因龜裂而出現漂移的問題，大地提升了測量精度，地維持了長期精度。SIERRA在熱式的核心部件上采用*的納米級絕緣性能的無機物填充，再通過高壓成型，使得納米級的填料更加致密，確保十年不會有零漂。兩種不同的封裝技術也成就了不一樣品質的產品。
 

　　b.實流標定技術：先我們談一下熱式氣體質量流量計實流標定的重要性。前面我們說過了熱式的測量原理，通過原理知道熱式氣體質量流量計測量與被測氣體介質的熱導性能有很大的關系，每一種氣體介質的比熱容在不同溫度和壓力的數值是不一樣的。如果單純依靠常壓或者負壓空氣標定，然后修正的方式來得到高性能的流量計，這個還是不科學的。而且實事證明沒有實流標定的流量計測量非空氣介質，數據偏差很大。目前市場上熱式氣體質量流量計大都采用開路的負壓空氣標定，然后修正到高壓力工況，或者修正到其他氣體，比如氬氣、二氧化碳、氧氣、氫氣、氨氣等等。修正標定必然導致測量精度不能保證，低壓標定后的表應用在高壓工況，空氣介質標定后的表應用在其他氣體介質，測量精度無法保證。
 

　　三.正確選擇熱式氣體質量流量計
 

　　有數據證明，在流量計量出現的故障幾率上，流量計選型不當占大約70%，流量計產品質量或其他原因占30%，可見選型對流量計量是多么重要。熱式氣體質量流量計用戶方特別要注意，自己不要選定某種型號流量計，除非你是選擇做為更換原有的流量計，好將這個工作交給賣方，因為他們是專業的。你只需要提供盡可能完整的工況數據和一些技術要求。比如流量范圍(建議流量單位采用標方)，測量的介質，管道的口徑，管道的材質，工作壓力，工作溫度，是否要求防爆，流量計工作環境溫度，信號電源要求，精度等級，應用在什么工藝上(是過程控制還是貿易計量)，測量介質干燥度和潔凈度如何。測量混合氣體流量，一定要提供各介質的占比百分比值。后提醒一句：現場有條件的話，流量計選擇一體化。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，再加上現場環境的影響，阻值會產生漂移。如果非要選擇分體的，建議這個分體距離選擇要越短越好。如果測量氣體是非空氣的其他氣體介質，建議選擇國外有實流標定的熱式流量計產品，這個一定要切記。當然除非您對測量的數據要求低，不在乎偏差多少，僅僅是看一下流量趨勢，還是可以選擇那些低端的熱式流量計產品。對于低價傾銷的產品，自己多留心。算算基本的成本看是否是能保障產品質量的流量計產品，有一個基本的成本是繞不開的，標定一臺氣體流量計DN50以下的其標定成本是1000元左右(各地計量院收費不同，略有出入)。DN100以下是1500元。DN100以上，每一個管徑規格增加標定成本大約1000元左右。正確選擇熱式氣體質量流量計關鍵的是，要多學習，掌握測量原理和產品的性能，和產品廠家業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量流量計產品。