浅谈热式质量流量计的原理及应用

田丽霞

摘 要：本文阐述了热式质量流量计的工作原理；与传统流量计进行对比分析热式质量流量计的优势和不足；阐述了热式质量流量计的应用概况和主要品牌；简单介绍了热式流量计如何选用。

关键词：热式质量流量计；TMF；测量原理；热扩散

由于热式流量计在测量精度、安装、维修等方面的优势，在热电、污水、冶金、化工等各个行业广泛应用。

1 测量原理

热式质量流量计较广泛采用的测量原理有两种：一种是热分布式原理，一般应用于微管式流量计用于测小流量；另一种是热扩散式原理，分为恒功率法和恒温差法。下面主要介绍下热扩散式原理。

（1）恒温差原理。如图所示，传感器有两个RTD探头，一个探头RTD1温度传感器测量流体的温度T1，另一个探头RTD2速度传感器在气体温度的基础上再加恒温△T（△T是通过惠斯通电桥给RTD2通电加热），由于气体流过速度探头带走了热量，要保持△T的恒定，就要继续补偿电功率，而这个补偿的电功率和流过的气体质量流量成正比关系。

根据耗热公式△P=CPM△T，知M=△P/ CP△T（△P –加热电功率；M-流体质量；CP—流体比热容；△T—恒温）所以气体质量流量与加热电功率成正比律。

（2）恒功率原理。即：△P=CPM△T中，△P—恒定，△T随流过的气体质量流量加大而减小。

2 与传统的差压式流量计相比，热式流量计具有诸多优势

（1）精度高，不需温压补偿。由测量原理可知，热式质量流量计直接测得的是流体（气体）质量流量，不需温压补偿，精度可达±1%FS，可以贸易结算；差压式流量计属于体积流量计，气体状态方程可知，体积流量受气体的温度压力影响较大，所以要温压补偿，并且测量系统部件多、相对复杂，误差累积较大，精度不高。

（2）安装、维护成本低。热式流量计结构简单，一般不需维护，如果需要维护，可以实现在线不停产插拔维护；差压式流量计定期检查针型阀门、导压管有无泄露、堵塞，定期排污、排气等，工作量大，成本高。

（3）特别适合大管径、底流速场合。插入式热式流量计应用在大口径管道性价比高；差压流量计应用在大口径管道上造价高，安装困难，工程量大。

（4）量程比大。热式质量流量计量程比可达100：1；差压式流量计一般为5：1。

（5）响应时间短。热式质量流量计响应时间1秒；差压流量计响应时间很长，与引压管路长短，粗细有关。

（6）压损小。热式流量计插入式基本没有压力损失，节约大量能源；差压式流量计压力损失很大，浪费能源。

3 热式质量流量计的不足

（1）在应用中，气体夹杂液体会使仪表读数偏大，当探头上液体被吹干后，读数恢复正常；

（2）如果气体中含有粉尘和水汽，气体温度下降后，粉尘和水将会凝混在一起，封堵住探头，流量计无法正常工作，针对这一情况，厂家推荐购买在线插拔在线吹扫装置，但是效果一般；

（3）在一些两相流，多相流中，混合气比重的变化，对测量值也会有影响。所以，热式质量流量计不适用介质中含大量的水份，介质组分不稳定，含杂质粉尘较多的场合。

4 应用概况与主要品牌介绍

热式流量计起源于美国，首先应用在宇航业的气体质量流量控制上，后来在半导体行业上有所应用，并有很大发展。热式流量计目前主要用于测量气体，应用于测量精度要求较高，贸易结算的场合，或其他像孔板等差压流量计、涡街流量计测量难以测量的环境下， 例如：锅炉一次冷风、二次风质量流量测量保证空气/燃料配比，以提高锅炉使用效率及系统控制；磨煤机进风、出风及混合风的风量测量；循环流化床干燥器、点火器设备用煤气管道，供风的流量、煤气用量流量的测量；污水处理瀑气测量；煤焦化中精制煤气流量测量的等。

热扩散式质量流量计知名进口品牌有：FCI/SIERRA /FOX/KURZ/ BINDER/ MAGNETROL/ E+H/ ABB。其中，FCI /MAGNETROL是恒功率式；SIERRA /FOX/KURZ/ E+H/ ABB是恒温差式；在国内BINDER是唯一拥有两种测量原理的制造商，出厂标定全根据应用类型选择，也是唯一一家可以提供本安型热扩散式热式气体质量流量计的厂家；MAGNETROL/ E+H/ ABB的热式质量流量计不是主打产品，没有竞争优势； SIERRA既有工业型恒温差热扩散热式流量计也有热分布式微管式小流量计，其中工业型640S系列有防爆证书，热分布式小流量100、800系列没有防爆证书；FCI的恒功率热式流量计在行业内属于领军品牌。

5 如何选用

在选型方面，首先应根据现场的应用环境选择热式流量计的形式。如果管径DN80以内一般选择管道式连接方式，管径在DN200以上一般选择插入式；如果测量的介质是易燃易爆或环境中含有可燃性粉尘、易燃易爆气体，流量计要按具体情况选防爆型或本安型。

根据介质的特性选择流量计的材质，如果是一般气体如空气、氮气等选316不锈钢材质；腐蚀性气体如氯气等一般选哈氏合金 C；如果介质的温度超过177℃，选分体式流量计；温度高于230℃按选型样本选高温型。

根据对输出信号的要求选择输出信号的类型是4-20MA/0-10V DC等，有源输出还是无源输出，是否带Hard协议，是否要RS232/RS484等数字通讯输出。

参考文献：

[1]蔡武唱.热式质量流量计的应用[M].中国仪器仪表行业会流量仪表专业协会，2002（01）.

[2]于斌，秦贞臻，刘红.热式质量流量计两种工作原理比较[J].中国高新技术企业，2011（01）.

[3]陈繁，王政.热式流量计的原理及选型[J].现代冶金，2013（02）.