质量流量计在气体流量测量中的应用

    工业计量中,对于温度、压力、组分不断变化的气体介质来说,测量其质量流量远比测量其体积流量更具有实际价值。在气体质量流量计出现以前,气体质量流量的测量通常有两种方法:ΔΡΡΤ法和FPT法,前者用孔板配差压变送器、压力变送器、温度变送器和流量计算机组成一个测量系统;后者用涡街、压力变送器、温度变送器和流量计算机组成一个测量系统。对于组分单一,仅温度、压力不断变化的气体介质来说,这两种方法都可以测量介质的质量流量。但是,这两种方法都要至少四个部件组成,成本、精度、可靠性同样由四部分组成。因此,成本高,精度低,故障率高,安装使用维护很不方便。除此之外,对于低流速气体及变组分气体的流量测量,上述两种方法根本无法完成。近年来出现的热式质量流量计和推导式气体质量流量计,可以在不同场合下发挥独特功效,解决上述难题(以科氏力为工作原理的质量流量计主要适用于液体介质)。下面分别就这两种质量流量计的测量原理及实际应用进行详细的分析论述和对比。

    FCI公司是美国最大的热扩散式流量计和热式流量、液位、温度开关生产商,后面介绍的热式质量流量计以FCI公司产品为例。

    1　热扩散式质量流量计的工作原理及组成

    热式质量流量计采用热扩散技术进行流量测量,由传感器和变送器两部分组成。它的传感器元件,包括两个带热套管保护的电阻式温度探测器(铂电阻RTD)和一个恒热源HTR(见图1)。测量时,两个RTD被置于流动的气体中,RTD 1用于测量流体介质自身的温度,以此作为参比温度;RTD2紧靠恒热源,测量流体介质带走热量后恒热源表面温度。两个RTD之间的温差ΔT与介质流速及介质的性质有关,流体流速的变化直接影响热扩散程度,进而影响ΔT的变化。流量为零时,温差最大;流量增加,恒热源被带走的热量增加,RTD 2所测温度降低,ΔT减小。温差与流量之间关系如式(1)所示。

　　ρ_v=K(Q/ΔT)^1.67               (1)

式中　ρ———流体的密度,kg/m³;

      v———流体流速,m/h;

      K———标定系数;

      Q———热流量,J/h;

      ΔT———温差,℃。

    由上式可以看出:气体的质量流速与散热能力的关系与质量流量之间有函数关系。传感器测得的温差信号经变送器处理、计算以4~20 mA的标准信号作为流量信号输出,供累计、控制使用。