电热式气体质量流量计

第十期669电热式气体质量流量计北京化工研究院林振锋王双庆等【提要】本文叙述热式气体质量流量计的发展棍况,工作原理、特点和设计计算,列举主要性能刚试结果,指出该仪表可广泛用于科研和生产装置上。一、前言我院研制的仪表能自动检测和变送微小流量,测量气体的范围是0~lol/hr(带旁通可扩大至0一3001/hr或者更大),具有工作压力高、温度范围宽、耐腐性能好、输出标准电流等特点,是实现中小型装置自动化的重要工具。微小流量的自动检测在许多工业部门(如原子能工业、石油和化学工业、航空、半导体、医药、轻工、食品及环保等部门)获得广泛的应用;已经发展了多种检测小流量的技术,如内孔板、毛细管、小型涡轮流量计和热式质量流量计等。由于毛细管和内孔板装置容易堵塞,而涡轮式小流量计机械加工又要求很高,这就限制了它们的广泛使用。热式质量流量计不但能克服这些缺点,而且能直读质量流量,没有可动部件,稳定性好,可靠性高,量程宽,线性好等。近年来,各国均有工业化产品报导,是小流量领域最具特色的检测仪表。国内一些科研和生产部门,近十几年来,在热式质量流量计研究工作中亦作过不少工作,但直到目前为止,尚未见到有定型的产品。热式质量流量计的发展已有近七十年的历史,原始的热流量计由ThomaS(托马斯)提出,结构原理示于图1。它由加热电源去维持两测温元件之间恒定的温差(或者加热功率不变而温差可变),其加热元件和测温元件均被加工成栅状,以立体形式跨越流体的整个横截面,注入的热量Q与质量流量M的关系为:Q=MC△t(1)式中C为流体的比热,△t为测温元件间的温差。由(1)式可知,当保持恒定的温差时,则Q是M的线性函数;而保持恒定功率时,则△t反比于M。虱虱?‘‘了?尸尸昌昌勺勺一;;;理理理书书{{{一{{{{{lll’一,’’;.、···图1基本的Thomas仪表托马斯流量计把整个测量元件置于流体中,这样易受冲击、腐蚀、磨损和污染,而且由于整个流体均被加热,当用其测量大流量的气体或液体时,功率损耗和仪表的响应时间就变得很大。尽管如此,直到现今,仍有一些工厂在生产基于托马斯仪表原理的被称作热丝式和热膜式风速计的流量仪表。对托马斯流量计的改进表现为两个方面,其一是把加热元件和测温元件的功能融合成一体,此类仪表称作自加热流量计,其二是将测温和加热元件设置子薄壁测量管的外壁,使测量元件受到保护,免受流体冲击670化工自动化及仪表和腐蚀。此类仪表结构见图2。在这种非接触式测址结构里,绕组W。、绕于封闭的作为参比用的金属管的外壁,而W::绕于测量管的外壁。W,:、W34与另外两个固定电阻组成惠斯登电桥,中间的管束是扩大量程用的旁通管。参比臂对电源和环境条件的变化有补偿作用。众所周知,用电桥测量温差既方便又稳定,输出为直流毫伏信号。因此这种方法得到了很大的发展,主要用来检测气体小流量。在保持恒定功率时,温差At与流量M成比例,由于电桥可以实现温差一电阻一mv信号的转换,所以输出的mv就直接正比于气体的质量流量M。日日下厂---===一一‘丫梢寸厂一一-吮二二门门翻翻____竺_趾趾关系,此类仪表称为边界层热式流量计,已被一些国家发展为检测液体小流量的工业化仪表。边界层流量计的一般方程可表为:Q=CM.△t(2)对于层流n二1/3;对于湍流n二0.8,显然对于托马斯仪表,n二1。但(2)式的C为综合性常数,与管内径D、加热面的轴向长度L、流体的热导率K、比热C:及粘度件等有关。本文总结了非接触式自加热型TMF一G气体热式质量流量计的研制过程。目前的产品能测量量程为。一3001/hr的气体流量,压力可达25Okg/cm“,最小检测限《lml/分;采用了环境温度补偿和增加快响应电路,使仪表灵敏度、稳定性、重现性均达到或超过了原设计指标,其主要性能与法国U7O型同类产品相当。二、结构与原理TMF一G型仪表由两个主要部件组成:流量传感器和信号转换器如图3所示。升汇啤图2自加热质量流量计法国的U65型、U70型等微流量计和美国的LF与HF系列热式流量计,原则)_L均属此种原理。加热被测气体的方法除了把直流电通向电阻丝,并经薄壁管向气体内传热这种形式外,还发展了低频和高频加热测量管的方法。低频的方法多利用管本身的电阻,在管的两端施加低频低压交变电流;高频的方法多利用环形涡流或感应加热。这就称之为热管式流量计。检测温差的方法除采用电阻体外,尚可采用热电偶,往往测量管本身可作为热电偶的一极,这种方法在美国获得了专利。第三类热式质量流量计是基于测量在管的内壁与流体之间形成的流体边界层的原理,由于边界层的热传导与质量流量有对应爵料业试爪牢拌图3气体热式质量流量计的组成流量传感器是非电最的电转换部件,其内部结构示于图4,在一根薄壁细管上,对称绕制四个绕组。W。。重叠于W;2之上,W7:重叠于W:‘乙上,组成惠斯登电桥,供以恒定一熬叭f解”沽辱注仇宁又宁元祖八弋黝扔奈lll}}一声声}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}伙伙刃.叮丫丫丫丫丫丫丫丫士士乙Z二-----{///比////匕匕瑞瑞“?几w八八图4传感器结构示意第十期671电流,使管子加热,无流量时,测量管的温度分布是对称的一条曲线见图5,有流量时,曲线偏离对称,流量越大,偏离越甚。四臂绕组既是加温元件又兼作测温元件,电桥对角检出的直流毫伏信号(D·Cmv)与流量的大小在一定的范围内成线性。和△T=T一T。将(5)式代入(4)式,则上下游管的平均温差为:TZ二一T;m=ZC(T一TAM=KM(6广一--—一一甲-9图5沿测量管的温度分布(T。为环境温度)。无流量时,上游管段与下游管段的平均温升对称且均可表示为,Q1.=一气r~一八(3)式中:Q—每半截管由电源获得的热量。A—每半截管与环境间的热传导。有流量时,气流流经上游段管表现为吸热,气流经下游段时,表现为放热,这种热交换以传导形式为主,由于流速缓慢和管径较细,可以认为管壁与被测气体间的热交换是充分的。因而与一定流量对应的上下游半截管其平均温度分别表为:显然,对于特定的介质和仪表结构,并保持恒定加热功率,其比热C,最高温升T,传热系数A均为常数。(6)式表达了仪表的基本方程,质量流量计因而得名。由(6)式可知,该仪表的测检前提是比热C恒定,因而热流量计仅适用于单一组份的气体或组份比恒定的混合气体的流量测量。电桥输出的信号(D·Cmv)是T:二一T;二的量度,于是可以给出mv与质量流量(或者以体积表示的流量)的校正曲线示于图6,由曲线可知,在仪表的整个测量范围,线性段是很宽的,4.51/hr以后偏离了线性,说明流速已偏高,气流部份来不及与管壁进行充分的热交换,从管中带出部份热量,于是线性被破坏,对于小4管线性范围还要宽些。T:。一T。二Q十△QA(下游段气体放热,管壁温度上升和T工二一T。=Q一么QA(上游段气体吸热,管壁温度下降)相减可得其平均温差为:TZ二一T,。=-2△QA4)对于被测气体,其比热C=式中:M—质量流量△QM△T(5)图6流量曲线(小3火0.1镍管,基准状态,不带旁通、空气)672由(6化工自动化及仪表)式可知,仪表如果以质量流量标定,则流量将与温度及压力基本上无关,这是因为气体的比热在很宽的范围与温度及压力近似无关。但是,气体的质量标定还有很多困难,所以国外许多国家仍以体积标定为主要方法,例如法国的U一70型与美国的LF及HF系列仪表均是如此,显然体积法敏感于操作压力及温度,而且环境温度的波动也将引起示值的变化,这种变化的大小与仪表的结构的对称性,特别是与测量元件的工艺绕丝的配对性有关。由(6)式可知,环境温度T。变化,K值将变化,相同流量对应的信号值将变化,实验测定流量曲线随环境温度变化的影响见图7。在一般情况下,环境温度升高20℃,流量曲线下移(几乎是平行的关系)约7一8%。因此,设计一个大热容量的铝制等温体内藏测量元件和采用温度补偿措施是十分必要的。等温体的设置是减小瞬时温度波动的影响,而温度补偿电路将消除缓慢的环境温度波动的影响。其时间常数为33秒;高压型(小4xo.2不锈钢管)为55秒。对于脉动(如往复泵出口)流量的测量,仪表能给出平均流量的示值,但对于快变化的瞬时流量,仪表不能立即响应,在自动调节系统中过多的滞后是不允许的,将严重影响调节质量。实验测定热式质量流量计的纯滞后时间是很短的,约为0.5一1秒,流量计对阶跃流量信号的滞后表现为时间常数较大,呈积分式指数曲线,这使我们有可能对输出信号进行纯电路的再处理,显然这种处理应该是微分形式,它起到超前作用,实际电路采用放大、闭环积分负反馈形式,合理选择反馈元件,可使响应时间大为缩短。由图4可知:为了保证足够的机械强度,测量管套焊在加强管内,加强管通过热容较大的黄铜散热块延伸至环境里,以便外接管路,铜散热块被认为是处于环境温度T。,铝等温体与外壳组成了电和磁的双层屏蔽。三、设计与计算1.温度补偿—双电桥设计,如图8所示,由流量传感器的铂丝绕组W,:、W。4、图7流量曲线与环境温度的关系热式气体质量流量计的研制工作着重是突破两点,其一是寻求一个效果好,简易可行,便于批量生产的环境温度补偿措施;其二是提高仪表对于瞬变流量的响应速度,由于加温和测温元件绕于测量管的外壁,滞后时间就较大,实测低压型(中3Xo.1镍管)}}}}}{{{{{!!!!!11111听听于于图8温度补偿电桥原理图原电桥恒流供电,补偿电桥供电UBD=500mv,R。补桥调零第十期W。。及W,。组成一个原始测量电桥,由三个固定电阻R及铜丝绕制的电阻R。。组成了补偿电桥,它们相串成双电桥,如果在环境温度波动时,mv原与mv补给出的附加电势么mv原与么mv补大小相等,方向相反则mv合即与温度无关。对照图7可知,这种双桥方法对于平移流量曲线,使之回到原来的曲线上是非常有效的,换句话说对于图7的流量曲线只要补偿了零点温漂值即能有效地补偿了整个流量曲线的偏离。补偿电桥在室温20℃时处于平衡,于是673(即上电桥)的温度附加电势△mv原之间在数值上的对应关系,由实验求得△mv原后即可得到R。.:。值。2.测量薄管耐压强度计算如图9所示,一根细长圆管长1》d(直尧、钊|日J气丫Jlf|沪R。。2。+R。=R慧1+a·45一1+a·20=1.093(7)(8)习工R一R当温度从20℃升至45℃时,补偿电桥输出一个附加电势△mv补魏△mv补=(R。。‘。+RR。。4。+R。+入一‘)U“D(9)}此值由实验测图9圆形细管受压产生应力,、,原VmA显然}△mv补卜定而得径),管内承受内压为p,此压力在y向的合力表现为对管壁的周向应力N,则菩d‘P·下厂·5In中·d中·l‘尹...J9自一一N今自R‘.2。一20℃时补偿电阻的阻值(9)R。。‘。一45℃时,补偿电阻的阻值(9)a一铜的电阻温度系数(0.004/℃)U。D一补偿电桥供电电压(soomv)R一补偿电桥固定桥臂电阻(Q),(R二100Q)R。一补偿电桥20℃时调零平衡电阻(Q)(R。:。。+R。=100Q)解(7)(8)(9)得积分得:N_P.d.牛乙(11)根据材料的力学特性有N=a·1·t(12)、一一、“一一二,一~*、,kgf、双甲:a—树科江迎刀气田宜衣夕气月而而万一)t—壁厚R。。:。=4R·△mv原0.093(Uon一2△mv原)则a=(mm)Pd2t(13)把R=iooQ,U。D二soomv代入并注意到U:。》△mv原则上式可简化为:19\R二2。‘8·“△my原’气亩才)(川注意(10)式中△mv原以mv为单位,则(10)式给出补偿铜电阻R。。:。与原始测量电桥对Icri8NigTi(小4xo.2管),查表。二.二==55kg/mmZ把d=小4一2x0.2m/m==3.6m/m和t二。.2m/m代入,则管子最大承受压力P二:二=610kgf/em’。对于小4xo.2不锈钢管实际试压至450kgf/cm210分钟,经螺旋测微计检测试压时67健化工自动化及仪表的管径说明,管径无形变。该管作为25Okgf/cm“以内的测量管约有m二2.5的保险系数。找合一般地面设备保险系数大于2