热式质量流量计原理及概述

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

方式感应加热热电偶两绕组电阻丝三绕组电阻丝

结构

检测元

热电偶热电阻丝热电阻丝件

加热方

测量管焦耳热自己加热中间绕组加热式

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/m3;

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ΔT=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）

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。D则是与实际流动有关的常数。

”。

2、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。

3、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。

4、分类