热式质量流量计原理与概述

热式质量流量计原理及概述

2010-5-31江苏瑞特仪表有限公司编辑：潘东升

热式质量流量计（以下简称TME ）是利用传热原理，即流动中的流体与热源（流体中加热的物体或测量管外加

热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表，过去我国习称量热式流量计。当前主要用于测量气体。

20 世纪 90 年代初期，世界范围TMF 销售金额约占流量仪表的8% ，约 4.5 万台。国内90 年代中期销售量估

计每年1000 台左右。过去流程工业用仪表主要是热分布式，近几年才开发热散（或冷却）效应式。

1. 原理和结构

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 ）。

1.1 热分布式TMF

热分布式TMF 的工作原理如图 1 所示，薄壁测量

管 3 外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组

2，组成惠斯登电桥，由恒流电源 5 供给恒定热量，

通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给

管内流体。边界层内热的传递可以看作热传导方

式实现的。在流量为零时，测量管上的温度分布

如图下部虚线所示，相对于测量管中心的上下游

是对称的，由线圈和电阻组成的电桥处于平衡状

态；当流体流动时，流体将上游的部分热量带给

下游，导致温度分布变化如实线所示，由电桥测

出两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈平均温

度差ΔT。便可按下式导出质量流量qm ，即

（1）

式中cp -------被测气体的定压比热容；

A -------测量管绕组（即加热系统）与周围环境热交换系统之间的热传导系数；

K -------仪表常数。

在总的热传导系数 A 中，因测量管壁很薄且具有相对较高热导率，仪

表制成后其值不变，因此 A 的变化可简化认为主要是流体边界层热导

率的变化。当使用于某一特定范围的流体时，则 A 、 cp 均视为常量，则质量流量仅与绕组平均温度差成正比，如图 2 Oa 段所示。Oa 段

为仪表正常测量范围，仪表出口处流体不带走热量，或者说带走热量

极微；超过 a 点流量增大到有部分热量被带走而呈现非线性，流量超

过b 点则大量热量被带走。

测量管加热方式大部分产品采用两绕组或三绕组线绕电阻；除管外电

方式感应加热热电偶

阻丝绕组加热方式外还有利用管材本身电阻加热方式，如表 1 所示。测量管形状有直管形，还有∏字形结构，三绕组中一组在中间加热，

两组分绕两臂测量温度。

表 1 测量管加热和检测方式

两绕组电阻丝三绕组电阻丝

结构检测元

件

加热方

热电偶

测量管焦耳热热电阻丝

自己加热

热电阻丝

中间绕组加热

式

为了获得良好的线形输出，必须保持层流流动，测量管内径 D 设计得

很小而长度 L 很长，即有很大 L/D 比值，流速低，流量小。为扩大仪表流量，还可采用在管道内装管束等层流阻流件；扩大更大流量和口

径还常采用分流方式，在主管道内装层流阻流件（见图3）以恒定比值分流部分流体到流量传感部件。有些型号仪表也有用文丘里喷嘴等

代替层流阻流件。

市场上热分布式 TMF 按测量管内径分为细管型（也有称毛细管型）和小型两大类，结构上有较大区别。小型测量管仪表只有直管型，内径

为4mm ；细管型测量管内径仅 0.2~0.5mm 。稍大者为 0.8~1mm ，极容易堵塞，只适用于净化无尘气体。细管型仪表还有一种带有调节单元

和控制阀等组成一体的热式质量流量控制器，结构如图4 所示。

1.2 基于金氏定律的浸入型TMF

金氏定律的热丝热散失率表述各参量间关系，如式 2 所示。

（ 2）

式中H/L------- 单位长度热散失率， J/m?h;

ΔT--------热丝高于自由流束的平均升高温度，K ；

λ--------流体的热导率， J/h?m?K;

cV---------定容比热容， J/kg?k;

ρ---------密度， kg/m 3 ;

U---------流体的流速， m/h;

d--------热丝直径， m.

如图 5 所示，两温度传感器（热电阻）分别置于气流中两金属细管内，一热电阻测得气流温度T；另一细管经功率恒定的电热加热，其温度Tv 高于气流温度，气体静止时Tv 最高，随着质量流速ρU增加，气流带走更多热量，温度下降，测得温度差T=Tv-T. 这种方法称作“温度差测量法”或“温度测量法”。

消耗功率P 和温度差ΔT如式3所示比列关系，式中B, C, K 均为常数， K 在 ?~?之间。从式 2 便可算出质量流速，乘上点流速于管道平均流速间系数和流通面积的质量流量qm，再将式 3 变换成式4。

（ 3）

（ 4）

D 则式 4 中

E 是与所测气体物性如热导率、比热容、粘度等有关的系数，如果气体成分和物性恒定则视为常数。

是与实际流动有关的常数。

若保持ΔT恒定，控制加热功率随着流量增加而增加功率，这种方法称作“功率消耗测量法”。

2、优点