热式气体质量流量计

热式气体质量流量计采用热扩散原理，热扩散技术是一种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。其典型传感元件包括两个热电阻（铂RTD），一个是速度传感器，一个是自动补偿气体温度变化的温度传感器。当两个RTD被置于介质中时，其中速度传感器被加热到环境温度以上的一个恒定的温度，
另一个温度传感器用于感应介质温度。流经速度传感器的气体质量流量是通过传感元件的热传递量来计算的。气体流速增加，介质带走的热量增多。使传感器温度随之降低。为了保持温度的恒定，则必须增加通过传感器的工作电流，此增加的部分电流大小与介质的流速成正比。

热式流量仪表用得最多有两类，即1）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的热分布式流量计（thenmaI prohIe fIowmeter）曾称量热式TMF;2)利用热消散（冷却）效应的金氏定律（King’s Iaw）TMF。又由于结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型（immersion type ）或侵入型（intrusion type）。有些在使用时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式（insertion type）。

二、优点

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更适合于大管径。

TMF无活动部件，无分流管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性仪表，虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不大。

TMF使用性能相对可靠。与推导式质量流量仪表相比，不需温度传感器，压力传感器和计算单元等，仅有流量传感器，组成简单，出现故障概率小。

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，直接就用空气标定的仪表，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。

三、缺 点

热式质量流量计响应慢。

被测量气体组分变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差。

对小流量而言，仪表会给被测气体带来相当热量。

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；对细管型仪表更有易堵塞的缺点，一般情况下不能使用。

对脉动流在使用上将受到限制。

液体用TMF对于粘性液体在使用上亦受到限制。

四、?选用考虑要点

4.1、应用概况

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。

热分布式仪表使用口径和流量均较小，较多应用于半导工业外延扩散、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泄漏量的测量等。在气体色谱仪和气体分析仪等分析仪器上，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。

冷却效应的插入式TMF国外近10年在环境保护和流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NOX排放总量。

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；直接液化气液态计量后气化，供给工业流程或商业销售。还有在色谱分析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。还未见到液体微小流量TMF国内定型产品。

4.2?? 流体种类和物性

TMF只能用于测量清洁单相流体------气体或液体，用气体的型号不能用于液体，反之亦然。对于热分布式气体还必须是干燥气体，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制造厂还应给出接受的不清洁程度，例如大部分给出允许微粒粒度，用户可按此决定是在仪表前装过滤器。浸入式TMF对清洁度要求低些，则可用于测量烟道气，但必须装有阀等插入机构，能再不停流条件下去取出检测头。

（1）流体的比热容和热导率

从式1和式2可知，TMF工作时流体的比热容和热导率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，可视作常数。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。表2列出几种气体在不同压力温度下的定压比热容，可看到其变化程度。

表2?几种气体定压比热容??? cal/(g?K)

注：1cal/ (g?k)=4186.8J/ (kg?K)

（2）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比热容或换算系数换算。

1）同一气体不同工况的流量换算 从表2的数值可以看出空气、氩气、一氧化碳、氮气、氧气压力在1MPa以下、温度在400K以下变化，定压比热容变化仅在1%~2%之间，大部分使用场所可不作换算；压力温度变换较大时也可利用式6计算，因为同一气体两种工况条件下定压比热容的比值与摩尔定压比热容的比值是相等的。

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，可按式6换算；也可直接以标定（校准）气体和实际使用气体的摩尔定压比热按式6换算，但因还有热导率等其他因素，换算后精度要降低些。表3给出若干气体按摩尔定压比热容直接计算和若干制造厂提供的两种转换系数数据，其中Freon12两者差别较大。

表3??几种气体的转换系数

各厂提供的转换系数单双原子气体差别较小，仅百分之几；烃类气体则差别较大，达20% ~30%。

浸入式TMF由于式（3）和式（4）中各系数由各个检测元件几何形状和所测气体而定，所以目前通常只能在实际使用条件下个别校准。

3）混合气体的换算的转换系数??混合气体的换算亦按式6进行，惟其转换系数Fmix按式7合成

? ?

（3）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，浸入式则可允有微粒，但均不得含有水气。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，应考虑液体汽化气化问题，必要是时选用致冷元件的TMF。

4.3?仪表性能考虑

（1）流量范围、流速和范围度

TMF的流量应以单位时间流过的质量来表示，但测量气体时习惯上亦常以计算到标准状态下单位时间流过的体积表示。流速亦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，特别是小口径热分布式；带测量短管浸入检测杆式可选上限（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的上限流量很小，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。

（2）精确度和重复性

TMF 具有中等测量精确度。热分布式的基本误差通常在±（2~2.5）%FS之间。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。带测量短管浸入式的基本误差相仿，亦在±（2~2.5）%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，单点测量影响较大，多点或多检测杆则影响较小，合计约在±（2.5~5）%FS之间。

插入式仪表检测的点数视流通面积和流动状况而定，有制造厂在正常流速分布流动状况下，推荐检测点数为：；圆管直径在200mm以下为单位单点，200~300mm为双点，350~700mm为3~4点，750~1200为5点，1250mm以上为6点。矩形管面积0.05m2以下为单点，0.1~0.2m2为2~4点，0.2~2.5mm2为4~12点，2.5m2以上为12~20为点。

（3）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、十几秒甚至几十秒者。若应用于控制系统不能选用响应时间长的仪表。

（4）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0~500C，范围较宽者为─10~1200C，应用于窑炉或烟道的高温高粉尘型则可高达5500C。加热热源温度高于气体数十度（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（体积）流量，并不影响质量流量，然而如前文所述若温度变化过大，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；但有些气体例如甲烷压力在0.1MPa，温度从300K升高到400K定压比热容要增加11.1%（见表2）此外还有零点偏移影响。

环境温度适用范围通常为(0~50)0C。较宽者为(─10~ +80)0C。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温度影响。

（5）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。

五、安装使用注意事项

5.1?? 安装姿势（方向）

1）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，大部分制造厂会对此就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±20。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。

2）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。

5.2?? 前置直管段

1）热分布式 本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长度要求。国际标草案ISO/DIS 11451认为流量测量不受旋转流和流速场剖面畸变影响。然而BS 7405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。

2）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/DIS 14511对此未作具体规定，而按制造厂建议的值。BS 7405建议对于在管道中用插入热丝流速计时，需要(8~10)D的上游直管段和(3~5)D的下游直管段。表4列举Sierra公司对带测量管浸入式TMF所规定的上直管段长度；若在其进口端装一块或二快多孔板式流动调整器（整流器）后，则其长度可大为缩短，如表最右列所示。

表4?带测量管浸入式上游直管段长度列

注：摘自Sierra公司760UHP型780UHP型样本。

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。

2.3?? 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。惟插入式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。

2.4?? 脉动流的影响

TMF响应时间长，不适应脉动流流量测量。若作测脉动流测量，应了解TMF的响应性，以保证能跟随的上脉动的速度变化。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。

一．正确认识热式气体质量流量计原理

? ? 热式气体质量流量计的起源是来自于热线式风速计。铂电热丝的温度与流体流速的变化有一个比例关系：流速越快，带走的热量越多。下面简单说明为什么通过检测热量的变化就能得到气体的质量流量。

? ???公式：H=m×Cp×ΔT

? ? 测的热量H，同时固定温度差ΔT，对于固定比热容Cp的气体，就可以直接求得气体的质量流量m。

? ? 下面我们在从微观上说明为什么是气体直接质量流量测量。

如图所示，气体分子与加热壁接触完成热传导而带走探针上的热量。由于不同气体分子带走热量的能力不一样，所以在已知气体分子导热能力的情况下（Cp值已知），可以通过测量耗散的电功率直接获得流过的气体分子数（气体分子数也就是质量数），从而获得气体的质量流量。

我们将公式：H=m×Cp×ΔT变换一下，可以得到：m=H/Cp×ΔT

? ?? ?其中：m是气体质量流量

? ?? ?? ?? ?H是补偿的电功率大小

? ?? ?? ?? ?Cp是定压比热容，与气体种类有关

? ?? ?? ?? ?ΔT是两探头间的温度差

从上面公式可以引申出两种热式原理：把分母的温度差恒定，通过实时测量气体带走热量H的大小来得到气体的质量流量，这就是目前市场上主流的恒温差热式。如果把分子的热量H恒定，实时测量温度差的大小来得到气体质量流量，就是恒功率热式。

恒温差原理具有非常好的的低流量特性，即使质量流速低到0.1Nm/s都有很好的线性。此外还具有快速响应的能力。恒功率原理可以检测较高的流速变化，在大流速应用场合有非常好的表现力，但低流速特性不如恒温差，其次响应时间相对于恒温差较差。

二．正确认识热式气体质量流量计优异性能

? ? ? ? 一个好品质的热式流量计产品必须具备两个最主要的特点：好的探头制造工艺和完整的实流标定装置。我们分别来分析这两大特点：

a.探头制造工艺:前面我们谈了热式流量计的原理，我们从原理上可以看出探头是整个热式气体质量流量计的核心，它的性能优劣可以决定流量计的测量精度、重复性、使用寿命、低流速特性。探头是由铂金电阻丝、护套不锈钢组成。铂金电热丝导电，护套不锈钢也导电，这就要求他们之间的填隙物必须要导热性能非常好，但是又不能导电。这个就引出了所有热式流量计的核心——加热探针的填隙材料及封装工艺：

? ? ? ?填隙层越厚，虽然绝缘性好了，但是导热的性能就差，且温度的灵敏性也差，同时响应滞后。填隙物如果是有机物，容易老化导致填料出现裂缝，流量计就表现为零点漂移。填隙物内如果有微小的空气，由于此探针一直处于加热状态，微小的空气膨胀，引起零点波动。

? ? ? ? 传统的热式质量流量计加热的速度传感器封装于不锈钢管探针端部，并在传感器和不锈钢管内壁之间灌注混合物。该混合物必须电绝缘的同时又保证较小的热阻，一般为环氧树脂、陶制水泥、耐热膏脂或者氧化铝粉、氧化镁粉等。这些采用如上填料的“湿”传感器存在一些缺陷：比如它的表面热阻会随使用时间的加长不断增加， 使得输出曲线呈下降趋势，导致传感器灵敏度降低，最终影响了测量精度。“湿”传感器的填充物由于与速度传感器的热膨胀系数不同，随着使用时间的加长会产生老化、龟裂等现象，最终会导致传感器的测量精度超差，且难以维持长期精度。这样的封装和填料，短时间看不出区别，但是半年一年后就可以发现重复性变差、零飘等问题。右边是美国SIERRA的热式流量计探头解刨图，斯亚乐的速度传感器是目前全球唯一的一种真正的“干”的传感器。它独特的封装工艺使得速度传感器与不锈钢内壁之间完美填充，且不使用有机物作为填料，而是铂铱无机物。斯亚乐热式流量计产品的灵敏度、重复性都达到最优化，在任何时候速度传感器内填料都不会有裂缝产生，也不会有因龟裂而出现漂移的问题，最终极大地提升了测量精度，极好地维持了长期精度。 SIERRA在热式的最核心部件上采用独特的纳米级绝缘性能的无机物填充，再通过高压成型，使得纳米级的填料更加致密，确保十年不会有零漂。两种不同的封装技术也成就了不一样品质的产品。

b.实流标定技术：首先我们谈一下热式气体质量流量计实流标定的重要性。前面我们说过了热式的测量原理，通过原理知道热式气体质量流量计测量与被测气体介质的热导性能有很大的关系，每一种气体介质的比热容在不同温度和压力的数值是不一样的。如果单纯依靠常压或者负压空气标定，然后修正的方式来得到高性能的流量计，这个还是不科学的。而且实事证明没有实流标定的流量计测量非空气介质，数据偏差很大。目前市场上热式气体质量流量计大都采用开路的负压空气标定，然后修正到高压力工况，或者修正到其他气体，比如氩气、二氧化碳、氧气、氢气、氨气等等。修正标定必然导致测量精度不能保证，低压标定后的表应用在高压工况，空气介质标定后的表应用在其他气体介质，测量精度无法保证。

三．正确选择热式气体质量流量计

? ? ? ? ?有数据证明，在流量计量出现的故障几率上，流量计选型不当占大约70%，流量计产品质量或其他原因占30%，可见选型对流量计量是多么重要。热式气体质量流量计用户方特别要注意，自己不要选定某种型号流量计，除非你是选择做为更换原有的流量计，最好将这个工作交给卖方，因为他们是专业的。你只需要提供尽可能完整的工况数据和一些技术要求。比如流量范围（建议流量单位采用标方），测量的介质，管道的口径，管道的材质，工作压力，工作温度，是否要求防爆，流量计工作环境温度，信号电源要求，精度等级，应用在什么工艺上（是过程控制还是贸易计量），测量介质干燥度和洁净度如何。测量混合气体流量，一定要提供各介质的占比百分比值。最后提醒一句：现场有条件的话，流量计选择一体化。如果是分体，由于传输信号线缆是做为测量桥路的一部分，本身是有阻值的，不管做的如何出色，由于测量探头的电阻值很小，这个线缆的阻值势必影响到电子线路的运算和处理，再加上现场环境的影响，阻值会产生漂移。如果非要选择分体的，建议这个分体距离选择要越短越好。如果测量气体是非空气的其他气体介质，建议选择国外有实流标定的热式流量计产品，这个一定要切记。