工业计量Ρ Σ法和 FPT 法, 前者用孔板配差压变送器、压力变送器 、温度变送器和流量计算机组成一个测量系统;后者用涡街、压力变送器、温度变送器和流量计算机组成一个测量系统。对于组分单一, 仅温度、压力不断变化的气体介质来说, 这两种方法都可以测量介质的质量流量。但是, 这两种方法都要至少四个部件组成, 成本、精度 、可靠性同样由四部分组成。因此, 成本高, 精度低, 故障率高, 安装使用维护很不方便。除此之外, 对于低流速气体及变组分气体的流量测量, 上述两种方法根本无法完成。近年来出现的热式质量流量计和推导式气体质量流量计, 可以在不同场合下发挥独特功效, 解决上述难题( 以科氏力为工作原理的质量流量计主要适用于液体介质) 。下面分别就这两种质量流量计的测量原理及实际应用进行详细的分析论述和对比。

1.热扩散式质量流量计的工作原理及组成

热式质量流量计采用热扩散技术进行流量测 量, 由传感器和变送器两部分组成。它的传感器元件, 包括两个带热套管保护的电阻式温度探测器( 铂电阻RTD) 和一个恒热源HTR( 见图 1) 。测量时, 两个RTD 被置于流动的气体中, RTD 1 用于测量流体介质自身的温度, 以此作为参比温度;RTD 2
紧靠恒热源, 测量流体介质带走热量后恒热源表面温度。两个 RTD 之间的温差 ΔT 与介质流速及介质的性质有关, 流体流速的变化直接影响热扩散程度, 进而影响ΔT 的变化。流量为零时, 温差最大；流量增加, 恒热源被带走的热量增加, RTD 2 所测温度降低, ΔT 减小。温差与流量之间关系如式( 1) 所示。

图 1 热式质量流量计原理图
ρv =K ( Q/ ΔT) 1 .67 ( 1)
式中 ρ— —流体的密度, kg/m³ ;
v — —流体流速, m/h ;
K — —标定系数;
Q — —热流量, J/ h ;
ΔT — —温差, ℃。
由上式可以看出:气体的质量流速与散热能力的关系与质量流量之间有函数关系。传感器测得的温差信号经变送器处理、计算以 4 ～ 20 mA 的标准信号作为流量信号输出, 供累计 、控制使用。

2. 推导式气体质量流量计的工作原理及组成

推导式气体质量流量计, 其设计指导思想如下。孔板和涡街同时测量同一流量, 两种不同的流量公式组合 、推导, 得到一个与流体密度无关的流量关系式。工作原理:在流体中设置一个三角柱, 介质流动时, 三角柱两侧就会产生有规律的旋涡, 从而产生频率 f , f 与流体流速v 成正比, 与柱状三
角物的宽度 d 成反比( 见图 2) , 关系如式( 2) 所示。





图 2 推导式气体质量流量计原理图

f =S_tv/[ ( 1 -1 .25d/ D) d] ( 2)式中 S_t — —斯特罗哈尔数, 其值在雷诺数 Re 为 2 ×10⁴ ～ 7 ×10⁶ 范围内, 由下式描
述 :S_t =0 .171 -120/ Re ;
v — —流体体积流速;
D — —管道内径。
则体积流量公式可表述为式( 3)
q_V =3 .6f /K ₁ ( 3)
式中 K ₁ — —标定系数; f — —旋涡频率。
( 此式即涡街流量计的计算公式)
流体中的三角柱两侧产生强烈的涡列, 同时在其前后还可产生差压, 差压体积流量公式如下。
q_V =K 2( Δp/ ρ) 1/ 2 ( 4)
式中 q_V — —体积流量; K ₂ — —标定系数;
Δp — —三角柱前后的差压; ρ— —流体密度。
式( 4) 即差压流量计的计算公式, 将式中等号左右平方后除以( 3) 式, 并令 q_m =q_V ρ得
q_m =K ₂²K ₁Δp/ f ( 5)
式中 q_m — —流体的质量流量。
该公式自变量中不含密度参量, 因此允许流体密度任意变化, 可直接测得流体的质量流量。

3. 热式质量流量计的性能特点

1.1 热式质量流量计的优点
1) 热式质量流量计适用于从毛细管到大管径以及方型管等各种管道的测量, 最大测量管径可达9 m 。
2) 无可动部件, 检测元件和恒热源均密封, 不与介质直接接触。因而耐磨损, 不易损坏, 并可避免因旋转、移动或震动等原因造成的部件磨损 、断裂和疲劳裂缝, 因此使用时间长, 维护量极低。
3) 不给工艺系统增加有效压降, 系统压力损失
可以忽略不计。
4) 对低流量测量最为敏感, 这是其他任何流量计所无法相比的。量程范围较宽, 一般为 100∶1, 特定情况下达到 1000∶1 。
1) 测温范围和耐压范围宽, 最高温度 454 ℃,
耐压最高 7 MPa, 可测量高温 、高压介质。
2) 防过载能力强 、实际流量高出满量程流量范围时, 不会对仪表造成任何损坏。
3) 测量精度一般可达 ±1 , 重复性为 0.5 ( 满量程) 。
4) 安装方式有插入式和直通式, 可以在不中断生产的情况下进行拆装 、标定 。
5) 热式质量流量计几乎不受碳氢化合物的组 成百分比变化的影响。因为碳氢化合物的导热性十分相近, 因此热式质量流量计的精度和重复性不受分子量变化的影响。
2.1 热式质量流量计是一种实标的流量计
1) 任何一种流量计都有其局限性, 从热式质量流量计的工作原理可以知道, 该类流量计测得的质量流量和介质的导热性能有关, 介质导热性能不同, 其流量与温差的曲线不同, 图 3 是几种不同介质的流量曲线。


图 3 气体流量比较曲线

针对这一情况, FCI 公司的每一台出厂流量计都采用实际标定( 标定介质与使用介质相同) 。并且, 每台流量计可储存 3 套不同介质的校准信息, 每套称为一个校准组, 这样就可用于多种介质或多个安装位置, 使得该系统使用的领域进一步拓宽, 偏差大大缩小。
1) 传感器安装点上游应有 15 倍直径的直管段、下游 5 倍, 在此范围内无弯管、阀门、及其他干扰物。安装整流器后所需直管段可大幅降低。
2) 由于热式质量流量计采用 RTD 测量, 所以气体介质中不能含水, 测量蒸汽必须是过热蒸汽( 液体的导热系数比气体大得多, 给测量带来较大误差) 。

4.推导式气体质量流量计的性能特点

1) 推导式气体质量流量计最大的优点就是质 量流量的测量不受气体介质温度、压力、组分变化的影响。
2) 推导式气体质量流量计既然由孔板和涡街组合而来, 那么它同时具有了这两者的缺点。
a) 量程比一般为 1∶5 ;无法测量小流量, 气体流速不得低于 5 m/ s ;不能测量氢气或其他分子量小的气体。
b) 测量较脏气体易产生取压孔堵塞。
c) 管线震动会产生较强干扰信号。d) 安装需要工艺复线。
e) 两路信号输出, 需要敷设六芯电缆, 流量累积器需特定仪表。
3) 推导式气体质量流量计是一种非实标的流量计, 其精度往往由制造者的工艺水平决定。

5. 热式流量计的选型

热式流量计是直接接触式气体质量流量计。要用热式流量计, 必须在各方面考虑完善。
1) 对于单一组分气体, 要提供其详细工艺条件, 包括温度 、压力 、流量范围 、所需量程比( 最大及最小流量) , 因为工厂要提供实际出厂标定。
2) 对于混和组分气, 一定要提供准确的组分。
3) 对于一些介质脏的气体, 包括瓦斯气、煤气 、烟道气的应用, 一定要工艺上解决, 否则接触式传感头会积聚脏物, 从而影响其精度。
总之, 在实际应用中, 两种气体质量流量计各有特点, 有很好的互补性, 根据不同的工艺条件采用不同流量计, 基本上就可以解决低流速和变组分气体的质量测量难题。