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热式气体质量流量计的应用和选型

浏览次数: 日期:2017年6月13日 15:31

    热式气体质量流量计由于自身独有的优良特性正被越来越多的用户认可和使用,现已应用在许多气体流量测量场合。但是在这些应用中也存在着许多问题和误区,许多生产厂家不负责任的宣传误导以及产品的质量缺陷使产品使用出现了许多障碍和盲区,造成许多用户对热式气体质量流量计产生误解,有的是盲目的认为热式流量计可以测量所有工况条件下的气体,有的是对热式流量计排斥和反对。本人这几年致力于推广和宣传热式气体流量计产品,接触了多个国内国外品牌的流量计,也在实际推广中碰到了许多应用问题,积累了大量的案例,在总结这些案例,得到了一些自己的感悟,愿意拿出来和各位朋友分享。

本篇将从专业的角度为大家解答疑惑,帮助各行业的热工人员正确选择热式气体质量流量计。我们将从三个方面来一一阐述: 

 

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。当然除非您对测量的数据要求低,不在乎偏差多少,仅仅是看一下流量趋势,还是可以选择那些低端的热式流量计产品。对于低价倾销的产品,自己多留心。

   正确选择热式气体质量流量计最关键的是,要多学习,掌握测量原理和产品的性能,和产品厂家业务人员多做深入交流,明辨各品牌的特点。才能立足自我,正确选择符合自己要求的热式气体质量流量计产品。

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