热式流量仪表的原理及应用

武汉华明源科技有限公司  黄离京

1、前言

流量仪表包括流量计与流量开关，是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用途，各种类型的流量仪表相继问世。目前已投入使用的流量仪表已超过100种，而热式流量仪表就是这其中应用比较广泛的一种。

热式流量仪表是根据介质热传递原理制造的，利用传热学和流体力学理论，采用热平衡原理建立热敏元件的热量损失、流体流速和质量流量之间的函数关系，从而获知流体的流速、流量。热式流量仪表按流体对检测元件热源的热量作用可分为热消散效应或称热导效应和热分布式效应，目前，基于热消散效应的流量计发展迅速，性能稳定，市场需求大，应用范围广。

根据不同的测量关系，热式流量仪表一般有两种测量方法：一种是热量式，通过给流体加入必要的热量，热量随流体流动，从而使不同位置的温度不同，可以通过检测温度变化来求出流量，使用这种测量方法的有托马斯流量计、热分布型流量计和非接触式的边界层流量计；另一种称为热导式，这种方法是在流动的流体中放置发热元件，其温度场随流速产生变化，可以通过检测发热元件被冷却程度来测量流量，使用这种测量方法的仪表有浸入型流量计。

2、热导式侵入型流量仪表探头模型及测量原理

2、1探头模型

    探头采用侵入式结构，它由2个感温热敏元件RT1与RT2组成，其中RT1检测流体温度，RT2被加热感测流体流速。

探头模型图

2、2基本原理

从热式流量仪表的发展历史来看，恒温差式流量仪表首先应用于实际工业的介质测量，这是因为恒温差式实现起来比恒功率式更加容易，所以从现在生产热式流量仪表的厂家来看，采用恒温差原理的厂家更多一些，有Turk Kurx、Sirren、Brooks等。但是随着生产要求的不断提高，恒温差式流量仪表已经很难满足一些特殊生产的需要，这就使恒功率式流量仪表成为重点的研究方向。

2、2、1恒温差法

原理：恒温差法（功率消耗测量法）是加热元件RT2的温度高于介质的温度，介质流过时带走一部分热量，保持加热元件和被测介质温度差恒定在一定的温差，控制和测量热源提供的功率，功率消耗随流量的增加而增加，由功率的消耗反映介质流量。

在测量管路中加入两只热敏元件，一个热敏元件RT1加入较小的电流（电流在4mA以下，不会引起元件发热），用于测量被测流体温度，称为测温热敏元件。另一个热敏元件RT2通入较大电流（电流一般在50mA以上），用于测量被测流体的速度，称为测速热敏元件。根据热扩散原理，加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。工作时测温热敏元件不断检测介质温度，测速热敏元件自加热到一个高于流体的恒定温度，流体流动时，由于散热测速热敏元件表面温度降低，测速热敏元件阻值发生变化，惠斯通电桥不平衡。通过由惠斯通电桥组成的反馈电路把温差反馈到处理器来增大加热器的电流（也可以是电压）来保持其温差为恒定。

流体的流量与加入的电流（电压）成比例关系：流体的流量越大，为维持恒定温度差所加入的电流（电压）越大。所以可以通过实验标定出加热电流（电压）和质量流量的关系，就可以通过电流（电压）来计算出流体质量流量。

恒温差式热式流量仪表存在问题：随着介质流量的增加，测速热敏元件的热量被迅速带走，恒温差式流量仪表要求对测速热敏元件加热的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电路本身功率的影响以及测速热敏元件******允许电流的影响，其******可测量流量受到限制。

2、2、2恒功率法

恒功率法（温度测量法）是以恒定功率为热敏元件提供热量，使其加热到高于介质的温度，流体流动带走热敏元件表面一部分热量，流量越大，温度降越大，测量随流体流量变化的温度，可以反映介质流量。有以下两种实现方式：

（1）只对一只热敏元件加热，由热扩散原理测量温差。

原理：与恒温差式流量仪表的结构类似，在测量管路中同样加入两个热敏元件，一个为用于测量被测流体温度的测温热敏元件，另一个为用于测量被测流体速度的测速热敏元件。在加热器上加上一个恒定的功率对测速热敏元件加热，流体在静止时测速热敏元件和测温热敏元件表面温度差ΔT21=TS2-TS1******，随着介质的流动，两个热敏元件表面温度差减小。流体的流量越大，两只热敏元件的温差越小。热敏元件连接在惠斯通电桥中，热敏元件的温度不同使热敏元件的热敏元件呈现不同阻值，从而使电桥不平衡，通过检测电桥的电压差来反应流体流量。

（2）对两只对称的热敏元件进行加热，由热平衡原理计算温度差。

传感器的结构是把两个完全相同的热敏元件对称的固定在热源的两侧，放置在流体中。采用一个恒流源（恒压源）对热源加热，流体流动使两个热敏元件的温度不同。热敏元件连接在惠斯通电桥中，热敏元件的温度不同使热敏元件的热敏元件呈现不同阻值，从而使电桥不平衡，通过检测电桥的电压来反应流体流量。

2、3两种方案的比较和选择

恒温差原理的热式流量仪表的******优点是比恒功率式热式流量仪表响应的时间快。因为恒功率式测量值从实际温度变化获得，测量管质量和检测元件质量的热惯性会降低响应速度；恒温差式的温度分布没有变化，不受检测元件等质量热惯性影响。

对于恒功率式热式流量仪表，它采用一个恒定的功率对热敏元件加热，较之恒温差式热式流量仪表有如下优点：

（1）恒功率式流量仪表的******可测量流量较大，随着介质流量的增加，被加热的热敏元件的热量被迅速带走。对于恒温差式流量仪表，它要求对被加热热敏元件的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电路本身功率的影响以及被加热的热敏元件******允许电流的影响，其******值受到限制。而恒功率型的流量测量容易实现，通常恒功率原理的流量仪表对空气的理论上******可测量速度为500m/s，而恒温差原理的流量仪表理论上******可测速度只能达到40m/s。

（2）恒功率流量仪表不容易受到脏湿介质的影响。恒温差流量仪表为了使其对温度快速响应和保持恒定的温差，一般热敏元件均做得比较细小。而恒功率流量仪表却可以做得粗大（各生产厂不一样尺寸也不一样）。这样对于脏湿介质测量时，脏湿物质对热敏元件可能产生短暂的附着物（任何生产厂都对热敏元件采用了抛光处理，长期附着物的产生是不大容易的）。对于较细的热敏元件，其附着物对加热热敏元件的散热会产生较大的影响，严重时使其测量精度大大降低。恒功率对脏湿介质的测量会好很多。

（3）恒温差式流量仪表不对温度的变化进行补偿，恒功率流量仪表却能对温度变化的全范围内进行自动补偿。众所周知，热流量和平衡常数是受温度的变化而变化的，一般而言只在常温的范围内为常数，当测量的介质温度范围超过这一数值时，介质的热流量系数和平衡常数均会发生变化。受电路设计的影响，目前市场上所有的恒温差流量仪表均没有对温度进行补偿，而FCI、Advtech采用恒功率方式的流量仪表均能对全温度变化范围内的热流量系数和平衡常数进行自动补偿。而介质的温度变化范围受气候或别的原因的影响是很难保持恒定的。

（4）恒功率与恒温差在耐高温方面有着显著的差异。目前而言，恒功率的最高耐温可以做到450℃，而恒温差的流量仪表一般都在260℃以内，这对于测量过热蒸汽而言，其适应性有很大的差别。

3、热导式插入型流量仪表的分类

3、1分类

热式流量仪表按照使用分为：热式质量流量计和热式流量开关两大类。流量计具有显示流量值，或输出连续流量信号的功能；流量开关只输出两位信号，触发下位连锁设备起到管系的安全保护，或本身带流量控制阀等。控制流量保持在某流量范围内。流量开关也可称作流量控制器。

热式流量仪表分类图

3、2热式流量仪表的特点

随着现在科技发展，微电子技术日新月异，热式流量仪表也不断改进之中。其主要特点如下：

（1） 能测极低流速(插入型侵入式仪表气体下限流速低至0．03～0．08m／s之间)和微小流量(0．005 L／min)，流体工况(压力、温度)适应范围宽，低压气体甚至可测真空状分子流。

（2） 无活动部件，可靠性高；无压力损失或压力损失很小。

（3） 测气体时常以标准状态下体积流量单位表示，若标准状态下密度不变(即组分不变)，则类似于质量流量。

（4） 热分布式仪表用于接近理想气体的双原子气体，可直接用空气校准流量，应用于其他气体(H：CO等)只需按介质种类作系数换算。热消散效应侵入式仪表则必须用所测气体校准。

（5） 热式流量计属于中等精确度的流量仪表。气体用热分布式仪表的流量基本误差一般在±(1％ ～3％)Fs之间。热消散效应插入型检测头(杆)本身的基本误差一般为±2％FS，还应计入流通通道面积测量误差、速度分布系数变化等不确定性，综合一起约在±(1．5％ ～3％)Fs之间。热消散效应侵入式接人型仪表经实流校准，有较高精确度。

（6） 热式流量仪表量程比较宽，通常在20～50之间，较优者为100，较低者为10；上限范围度通常在20～50之间。

（7） 可用管径范围大，从毛细管到电厂废气排放烟道、烟囱。

（8） 仪表系数随气体种类或混合气体组分而变，不能测量质量热容(比热容)变化的流体，更不能用于混相流体或可能产生相变流体以及含潮气的气体。

（9） 热式仪表响应速度适应一般应用场合，时间常数一般为2-5秒，较快者0.3-0.5秒，薄膜式仪表最短仅需数十毫秒。Advtech 的RFS系列流量开关响应时间为1-3秒。有些型号仪表则长达数秒甚至几十秒，用于控制系统应作必要修正。

（10） 对被测流体有一定地洁净度要求。热分布仪表测量管内壁沉积尘垢会影响测量值，必须定期清除；毛细管型热分布式仪表更有测量通道堵塞的缺点；插入式仪表要求相对低些，但检测元件积聚尘埃也会影响测量值，可定期用工业酒精或者丙酮类溶剂清洗。

4、热式流量仪表的应用

4、1 应用选择

由于信号处理及数据输出方式处理的不同，热式质量流量计的制造成本比流量开关的成本高出3-5倍，甚至10倍。很多场合其实只需要了解管路中流体是否达到某一设定控制流量，警示或者触发控制下位设备改变工作状态。这时，流量开关是最好的选择。

（1）热式质量流量计主要应用于需要有计量考核或输出的场合。

（2）热式流量开关主要应用于警示管路中流体是否达到某一设定流动流量值，从而警示是否管路系统有故障阻碍了流体流动，设备需要维修；或者触发下位设备，保护系统以免发生事故。

4、2 流量开关应用领域

（1）连续流体流动状态监控  如机械加工生产流水线上的冷却循环系统。

（2）石油天然气燃气设备供气或者排放过程流动状态监控。

（3）公用供水及水处理的监控。

（4）电力行业  水电站排水及水轮机冷却循环控制。热电厂燃气及空气控制、冷却循环系统控制。

（5）化学行业  烟气循环监测、采样系统中气体流量监控、引风机的气体流量控制、废水处理循环系统监控及冷却循环系统。

（6）冶金行业  钢铁厂加气监控、焦化厂焦炉煤气监控、轧钢厂加热炉燃气(高炉煤气、焦化煤气、天然气等)的测量控制、冷却系统监控及水处理循环监控

（7）纸浆与造纸行业  废水处理系统监控、烟道流量监控、空气送风监控。

（8）食品及医药行业  加工操作中通风系统控制、锅炉进气﹑废气﹑过程控制

（9）环保  污水处理过程监控、烟筒烟道排气监测。

（10）其他行业  工厂压缩空气监控、水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制。

5、结语

有数据证明，在流量仪表出现的故障几率上，选型不当占大约70%，流量仪表产品质量或其他原因占30%，可见选型对流量仪表使用是多么重要。热式流量仪表用户方特别要注意，自己不要选定某种型号流量仪表，除非你是选择做为更换原有的流量仪表，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），测量介质洁净度如何。最后提醒一句：现场有条件的话，流量仪表选择一体化。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。对于低价倾销的产品，自己多留心。算算基本的成本看是否是能保障产品质量的流量仪表产品，有一个最基本的成本是绕不开的。正确选择热式流量仪表最关键的是，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。