热扩散式质量流量计工作方式及核电现场调试

张少南　周小瑄

摘 要：热扩散式质量流量计的工作原理分为恒功率法以及恒温差法，它不仅可以直接测量流体的质量流量也可以在标准状况下测量流体的体积流量，经过输出量的设置也可以作为流量或液位开关使用，具有测量精度高（其精度通常能够达到±0.75%（读数）、±0.5%（满量程），部分产品能够达到±0.01%（读数）、±0.1%（满量程），安装便捷快速，工作稳定便于维护等优点，作为流量计，因此在广泛应用于石油化工、食品加工、医药卫生、空气净化、水处理以及电站运行等诸多领域。

关键词：热扩散式质量流量计；AP1000；现场仪表调

中图分类号：TH814；TM623 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）23-0137-02

0 前言

在中国建设的三代核电AP1000电厂中，热扩散式质量流量计多应用于核岛内的暖通系统气体流量测量，其中更是包括对主控制留居供气流量这样的关键参数测量，涉及仪表总数多达80余台。

可预见的是，热扩散式质量流量计这种设计原理较为先进的流量测量仪表将在核电厂有更为广阔的应用。

目前市场上厂商常见且满足核电特殊使用需求的热扩散式质量流量计主要有的5到6家，如KURZ、MAGNATROL、E+H、FCI、SIERRA、DELTA-M。由于专利的限制，除FCI采用和功率法测量外，其余公司多采用恒温差测量法。作为该领域资深厂商，FCI不仅能够提供满足普通工况下的热扩散式质量流量计，也能够提供极端工况下（高辐照、抗震）的产品，但由于采用恒功率原理，造成仪表上电后需要一定时间才能达到自身热平衡，启动时间较长。而采用了恒温差原理的仪表，上电后无需较长时间便可达到热平衡，启动较快，便于调试。

1 热扩散式质量流量计工作原理

热扩散式质量流量计有两种工作原理，一是恒功率式，一是恒温差式，虽然原理不同但两者结构相似，都拥有一对热电阻（RTD）探头位于探杆末端，一个称为参考段用于测量流体温度，另一个为工作端用于感应流体质量流量。仪表上电后，工作端实际为一个低功率的加热探头，制造与参考端之间的温差，形成静态热平衡。当有介质流经两个探头时，工作端的探头所制造的温差因介质质量流量的变化而改变（既流体将加热端所产生的热量带走，造成连探头温差变化），而该温差的变化与流体的质量流量成正比例关系，又与流速成正比关系，因此通过测量参考端与工作端之间的温差就可以得出流体的质量流量，以及流体流速。唯一不同的是，恒功率式工作端的加热功率不变，而恒温差式是维持连探头温差不变，功率则根据需要持续补偿修正。

典型的热扩散式质量流量计输出信号为4-20mA的标准电流信号或电压信号，可配备HART通信协议或MODBUS等接口，因其本质上就是一个热电阻，所以多数型号的热扩散式质量流量计也可以提供温度信号输出。并且，只要通过信号转换，将输出信号设置为0和1的开关量，质量流量计也可作为流量、液位開关使用，如图1所示。

2 热扩散式质量流量计的结构

热扩散式质量流量计主要由变送器、探杆、探头三部分组成。

其中，变送器由交流（100-240VAC）或直流（18-30VDC）供电，位于探杆一端，其内部主要装有电源处理模块以及信号处理模块，前者用于对电源进行滤波以及电源分配和电压转换，后者用于A/D信号处理、转换、放大并同时对工作端与参考端热电阻进行必要的温度补偿积极矫正，经线性化处理后，最终输出标准信号（4-20mA，0-5VDC等）。

探杆通常为不锈钢材质，其插入深度通常为管道直径的1/3-2/3处，多为活动插拔式设计，方便插入深度的在线调整。

探头主要部件为两个热电阻（参考端、工作端），呈柱状，安装时前后排布位于探杆的另一端。通常选取分度号为正温度系数的PT100、PT500、PT1000、PT2000。

此外，为了达到高精度的测量，可在探杆上安装多组探头，在探杆上开出大小相同的数个孔洞，每组探头皆装在每个孔洞中，这样介质可同时流经数组探头，能够更加准确地测量流场每点的流量，从而提高测量精度。每组探均由热套管隔开，避免工作端的热量互相影响。

3 热扩散式质量流量计的安装

根据探头与变送器之间安装和使用需求质量流量计可以配置为一体化安装和分体式安装。

热扩散质量流量计与管道连接的方式通常为插入式安装和管段式安装，前者分为法兰螺纹安装和法兰安装，适用管径一般为DN80-6000mm，后者要求仪表自带管段适用管径一般为DN15-2000mm。

标准工况下要求，热扩散质量流量计安装为前直管段10D（D为管道内径），后直管段5D，且前直管段15D内无弯头、变径、阀门等影响流场的阻力部件。

而实际工况往往要复杂得多，无法满足前10后5的直管段要求，此时要求厂家根据工况进行现场流场标定，采用多位置安装或多探头形式降低直管段过短或流场复杂的影响。

探杆上通常标有刻度和流体流向箭头，安装时箭头方向需要与实际工况下流体流向相同，插入深度根据管道直径确定，单探头通常插入管道直径1/2处，多组探头通常插入管道的1/3-2/3处。

如果仪表安装与垂直管道中，为确保其测量精度，安装探头时通常将工作端放置于上方。

4 热扩散式质量流量计的调试

热扩散式质量流量计的现场调试方法大致相同，根据不同的型号略有差异，以主控室留居系统中的两台流量计为例：

流量计A/B位于主控室外门厅内，位于同一管道前后相邻安装。用于在MCR通风系统丧失后，检测由高压气瓶输送给主控室、值长室的气体流量（该气体用于保证主控室、值长室人员72小时留居所用气体）。

如图2，该系统主路为C，经V005、流量计A/B、V045、喷射器、滤网最终在主控和值长室释放。

A/B为辅路，在主路不可用时，由A＼B辅路为主控室留居人员提供可用气体。

A路径经V005、流量计A/B、V046、孔板、消声器释放至值长室。

B路径经V001、流量计A/B、V046、孔板、消声器释放至值长室。

调试过程中主路C、辅路A/B流量显示差距较大，需要通过操作V045、V046阀门进行主路、辅路切换，各取5点完成3组流量数据记录。同时，在机柜侧观测并记录ABC3组数据。接着，在现场通过DAQ现场读数记录ABC3组数据。

校验方法：用电阻箱模拟测量端热电阻温度信号来代表实际测量中的流量变化。按照图中示意的方式接线，测量环境温度，固定此时参考端阻值。然后，以次改变测量端电阻箱阻值，记录DAQ中流量数据。用万用表测量输入电阻值并进行调教。

所需设备：DAQ信号采集器、电阻箱、万用表、电缆数根、拆装工具等

接线方法：测量环境温度后，将参考段设置在固定的阻值。将电阻箱串入测量端，信号输出连接至DAQ。流量计A/B用自制电源线、电缆并联，接地共用。示意图见图3：

需要注意的是：

（1）并联电源屏蔽接地应选用与额定电压相符合的电缆规格。如单根1mm较细，可临时用双根代替。（2）参考端不需改变电阻信号，环境温度测得后即可知道其固定阻值。（3）电阻箱的选用应注意量程范围和精度。（4）为保证流道内无气体积压，切换流道时应保持原流道畅通，待新流道阀门开启后再关闭原流道阀门。

5 结语

由于我国基础工业薄弱，从原材料，设计研发，到制造生产中质量控制与国外厂家仍有相当大的差距而仪表工业在起步时已大大落后西方，早期国内工厂所使用的仪表又均依赖国外进口。当前，我国自行生产制造的现有产品品种、规格、精确度和可靠性尚且不能满足国内市场需求，特别是在核电站所使用的热扩散质量流量计几乎全部为国外进口。核电站仪表国产化是一项具有较高难度的系统工程。我国核电发展坚持“自主设计、自主制造、自主建设、自主运营”的自主化路线，仪表作为不可或缺的“关键重大设备”，涉及核電站的安全运营，影响到整个国家和人民的安全，其核心技术和产品必须全面掌握。另外，设备的采购固然要国内外市场公开竞争，但过去的经验告诉我们，国内厂商参与竞标有利于形成良性的价格竞争环境，从而实现设备采购成本降低。因此，无论从安全角度还是市场角度来分析，核电仪表都应该尽快、全面实现国产化。