摘 要：本文主要介紹了大管徑插入式熱式氣體質量流量計的特點、工作原理及安裝和使用。本文對大管徑插入式熱式氣體質量流量計與孔板式差壓流量計的性能指標也作了詳細的比較。

關鍵字：大管徑 速度傳感器 質量流量計 孔板式差壓流量計

      1 前言

      安鋼燒結廠105m²燒結機所使用的75萬m³/h的主抽風機至120m大煙道有一段直徑為4m的除塵管道，除塵管道的廢氣流量測量一直是個難題。檢測大管徑管道的廢氣流量，一般選用孔板式差壓流量計，但經過多年使用這種流量計的缺點就凸現出來。由于除塵管道流量計管徑龐大，加之維修校驗不便，在管道中200m高的大煙筒巨大的抽力對孔板的表面產生一定的磨損，孔板管道內有腐蝕，骯臟或微粒物進入等多種因素導致孔板流量計不準或損壞。大管徑廢氣流量的檢測特點：

      （1）管徑龐大，通常為DN1000mm~DN6000mm，給檢測此流量的儀表維修和標定帶來了相當的困難，一般檢測或清洗探頭要耗費大量的人力物力；
      （2）壓力和流速低，一般出口壓力在10~60kPa，流速為1.5~6m/s，選用的檢測儀表要壓損小、流量的雷諾數低。
      （3）介質臟，液體中含有大量的灰分和腐蝕物，容易污染流量計的傳感器。

      針對上述特點，我們在反復試驗的基礎上采用了比較先進的大管徑插入式熱式氣體質量流量計來檢測大管徑廢氣流量。

      2 熱式質量流量計

      熱式質量流量計是利用加熱時液體溫度上升至某一值所需的能量與液體質量之間的關系來測量液體或氣體質量的一種流量儀表。一般用來測量煤氣等氣體質量的流量。它具有壓損小、流量范圍度大、高精度、高重復性、高可靠性、體積小、易維護不易損壞等特點。

      早期的熱式質量流量計直接將加熱線圈和測溫元件放入液體中與液體接觸，是一種接觸式流量計，由于現場環境中普遍存在腐蝕、磨損及防爆問題，使它在工業應用中受到很大限制。到20世紀50年代，人們又提出了不接觸液體的邊界層流量計，克服了接觸式流量計的缺點，但測量結果受介質參數（如熱導率、比率、粘度）以及環境的震動等因素的影響；到20世紀70年代，基于測量液體溫度分布的熱分布型HKTMF，優點很多，但只適用于小管徑測量。此后，人們又設計一種插入式HKTMF，它在國內得了迅猛的發展，可以用來測量大管徑的氣體流量。

      3 結構及工作原理

      多點平均矩陣式670S質量流量計使用不銹鋼傳感探頭，增加了準確性、堅固性和可靠性。它有兩個探頭伸入到被測氣體中，一個速度傳感器用來檢測質量，一個自動修正溫度變化的溫度傳感器用來檢測氣體溫度，這兩個探頭使用參考級感溫元件—鉑熱電阻。

      插入式HKTMF用標準級鉑熱電阻（RTD）的鉑絲纏繞在一套磁芯棒上插入到一個堅固的不銹鋼套筒中，速度傳感器RTD的電阻比溫度傳感器RTD的電阻小得多，并由電子設備供電產生熱量。插入式HKTMF的工作原理基于熱力學第一定律，即電子設備提供給速度傳感器的電功率等于流動的氣體對流換熱所帶走的熱量。

                  （1）

      式中：h  為傳熱系數；
               T_u 為速度傳感器的溫度；
               A_s 為圓柱形探頭表面積；
               T  為溫度傳感器測得的氣體溫度。

      參與速度傳感器周圍的熱邊界層換熱的是流動的氣體分子。因此插入型HKTMF傳感器檢測到的是流體的質量和流量：

      hA_s=a₁+a₂（ρ_u）^m                             （2）

      a₁，a₂，m均為經驗確定的系數，他們由被測氣體的傳熱系數、粘度等系數決定。

                        （3）

      多點距陣排列插入式HKTMF，在傳感器沿長度方向設置有4~16個不等的質量流速探頭，用來測量大管徑的總質量流量。多點插入型傳感器設置劃分為n個等面積環，在每個等面積環的質心設置一個熱式質量流速探頭。

      4 供電電路

      HKTMF系列有兩個傳感器，一個是速度傳感器，一個是溫度傳感器。測量時，傳感探頭插入流體中，感受流體的流速和溫度。它們同時是電子組件橋路的兩個橋臂，形成一個不平衡電橋。

      通電時，橋臂電流將速度傳感器加熱到高于溫度T一個溫差△T的T_u，T-T_u=△T。不平衡電橋就變成平衡電橋。此時電橋便輸出一個對應零流量的電壓，經放大電路處理，輸出流量計的下限信號為4mA；瞬時流量顯示為000；且累積流量無累積動作發生，累積顯示保持原來的累積數字不變。

      當流體流經加熱的速度傳感器時，根據熱傳導原理，將會帶走速度傳感器的一部分熱量，使其溫度下降，而且流量越大，帶走的熱量越多，其溫度T₁下降也越大，電橋又變成一個不平衡電橋。由于橋路的反饋控制作用，總要回到平衡電橋狀態。為此，電橋必須在速度傳感器上流過與流量大小成正比的電流，使速度傳感器回到平衡狀態時的溫度T_u。這時橋路便輸出一個正比于流量大小的電壓信號。經電路放大、線性化處理，使輸出與流量成正比的4~20mA之間的一個電流信號、瞬時流量顯示為直到最大刻度流量的一個值，累積動作將以與瞬時流量成正比的速度進行累積。

      如上所述，設速度傳感器的加熱功率為P，速度傳感器與流體的溫差為△T，T₁- T₂ =△T。流體的質量流速為Pv。根據L-V.King定理，即流體流經加熱的速度傳感器時所帶走的熱量Q，與對速度傳感器加熱到溫度T的電功率P相等。由于橋路的反饋控制作用T₁- T₂=△T為一恒定的常數。所以橋路的輸出（決定流量計輸出的量）與流體的質量流速P_v成單值函數關系。特別要指出的是，由于速度傳感器的熱量是被流體中的分子所帶走的，所以速度傳感器測量的是流體的質量流速P_v。因此只要乘以流體管道的截面積s，便可得到流體的質量流量。

      插入式HKTMF有諸多優點：堅固的結構，適用于煤氣區域等工業應用；測量范圍大；準確度重復性好；響應時間快；可測量含中等固體顆粒的氣體。

      5 大管徑流量儀表的比較

      插入式HKTMF、孔板式差壓流量計兩者均能檢測大管徑流量，我們可以作一比較，由表1中明顯看出大管徑插人式熱式氣體質量流量計在各項性能指標中有很大的優勢，因此它是差壓式流量計的替代品。

      表1 插入式HKTMF與其他流量計的性能比較

主要性能	差壓式流量計	熱式氣體質量流量計	渦街流量計
測量方式	Δp- 差壓 k-儀表系數		F=S1u/d
標定法	有標準可循	理想化標定	可以標準標定
準確度	±2%	±0.5%	±5%
壓力損失u	較高，有時50%	較低，不考慮	較高
可靠性	可靠	可靠性高	可靠性較差
價格	適中	適中	昂貴
應用情況	普遍	最近使用	普遍
適用范圍	液體、氣體	氣體、煤氣最好	液體

      6 結論

      在燒結生產中，很多地方已經使用了質量流量計，比如點火爐的空氣流量和煤氣流量，在這些位置較高和不安全的地方，質量流量計已發揮了巨大的作用。從使用熱式氣體質量流量計檢測廢氣流量的效果來看，它測量準確、平穩、維修量小，具有較好的可靠性和經濟性，因此它在冶金行業受到了普遍的歡迎。