熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是基于熱擴(kuò)散原理的流量?jī)x表，即是利用流體流過(guò)發(fā)熱物體時(shí)，發(fā)熱物體的熱量散失多少與流體的流量成一定的比例關(guān)系，具體來(lái)說(shuō)，該流量計(jì)的傳感器有兩只標(biāo)準(zhǔn)級(jí)的RTD，一只用來(lái)做熱源，一只用來(lái)測(cè)量流體溫度，流體流過(guò)時(shí)，兩者之間的溫度差與流量的大小成非線性關(guān)系，該儀表就可以把這種關(guān)系轉(zhuǎn)換為測(cè)量流量信號(hào)的線性輸出。

測(cè)量原理：

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)由傳感器和信號(hào)分析、處理與控制單元兩部分構(gòu)成。傳感器一部分測(cè)量溫度，而另一部分用于加熱。前者監(jiān)控實(shí)際過(guò)程溫度值；后者維持一恒定溫度值，使其總是高于實(shí)際過(guò)程溫度且與該過(guò)程溫度保持恒定的溫度差。氣體的質(zhì)量流量越大，冷卻效應(yīng)就越大，維持差分溫度所需的能量也就越大。因此，通過(guò)測(cè)量加熱器的能量便可得出被測(cè)氣體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品應(yīng)用：

?壓縮空氣
?鍋爐房或干燥機(jī)中的天然氣
?釀酒廠中的二氧化碳?xì)怏w
?污水處理廠中的沼氣和曝氣
?生成氣體（如氬氣、氮?dú)狻⒍趸?、氦氣、氧氣?br />?氣體泄露檢測(cè)

產(chǎn)品特點(diǎn)：

?高性能智能微處理器及模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；
?寬量程比100：1；大口徑，低流速，壓損可忽略；
?直接測(cè)量質(zhì)量流量，無(wú)須溫壓補(bǔ)償；
?低流速測(cè)量非常靈敏；
?設(shè)計(jì)、選型方便，安裝、使用簡(jiǎn)便；
?適合各類單一或混合氣體流量測(cè)量。

技術(shù)參數(shù)：

常用氣體量程上限（Nm3/h）（下表可擴(kuò)展）：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量:溫度為20℃，壓力為101.325KPa時(shí)的流量。
注：瞬時(shí)流量的單位可選Nm3/h、Nm3/min 、L/h 、L/min、t/h、t/min 、kg/h 和kg/min。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量中的應(yīng)用：

文章就鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量過(guò)程中容易出現(xiàn)的問(wèn)題以及由此造成的后果進(jìn)行了分析，對(duì)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的一般工作原理、分類、不同的技術(shù)路線和優(yōu)劣比較以及選型方式進(jìn)行了闡述，并重點(diǎn)分析了熱式流量計(jì)相對(duì)孔板流量計(jì)的優(yōu)特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，以及通過(guò)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)解決鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量問(wèn)題所收到的效果。
1、背景：
鋼鐵企業(yè)因煉鋼工藝要求，對(duì)氧氣、氮?dú)夂蜌鍤庥写罅啃枨螅@3種氣體在冶煉現(xiàn)場(chǎng)的支管計(jì)量一般采用孔板等節(jié)流裝置測(cè)量差壓值來(lái)進(jìn)行計(jì)量，由于現(xiàn)場(chǎng)工藝流量設(shè)定值相對(duì)固定，波動(dòng)較小，所以測(cè)量精度一般能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。
但是對(duì)于廠際計(jì)量的總管而言，節(jié)流裝置的應(yīng)用存在較大問(wèn)題，實(shí)際應(yīng)用中往往存在較大誤差，以某鋼鐵公司為例，其煉鋼廠的氧氮?dú)逑膱?bào)表和總公司的計(jì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表長(zhǎng)期存在偏差，導(dǎo)致成本考核數(shù)據(jù)失真，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任制考核造成較大影響，而計(jì)量部門(mén)使用了各種包括球罐容積標(biāo)定法在內(nèi)的計(jì)量手段，對(duì)總管和支管的檢測(cè)儀表進(jìn)行了多次測(cè)量或者標(biāo)定，均證明儀表參數(shù)選型和計(jì)算書(shū)符合設(shè)計(jì)和實(shí)際工況要求，沒(méi)有大的偏差。
2、原因分析：
排除了參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方法問(wèn)題，我們把目光轉(zhuǎn)向了計(jì)量?jī)x表本身。經(jīng)過(guò)認(rèn)真分析，我們認(rèn)為主要原因是由孔板流量計(jì)本身的特點(diǎn)造成的:一般鋼鐵企業(yè)煉鋼廠都有多臺(tái)轉(zhuǎn)爐設(shè)備，轉(zhuǎn)爐屬于間歇式冶煉設(shè)備，總體上看這些設(shè)備對(duì)氧氮?dú)鍤怏w的使用是一種隨機(jī)的狀態(tài)，節(jié)流裝置由于量程比較小，其選型一般是以滿足這些設(shè)備同時(shí)工作為依據(jù)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，流量存在波動(dòng)，尤其在小流量處會(huì)超出正常的量程比。
以該鋼鐵公司為例，該公司煉鋼廠有 4 座轉(zhuǎn)爐，2 座容量較小，2 座容量較大，這樣在實(shí)際生產(chǎn)中，各轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)時(shí)間有一定的隨機(jī)性和交叉性，所以同時(shí)只有 1 座小轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)和 4 座轉(zhuǎn)爐同時(shí)生產(chǎn)這 2 種比較的情況均會(huì)出現(xiàn)，以氧氣為例，實(shí)際冶煉時(shí)平均工作流量如表 1 所示。考慮到煉鋼廠內(nèi)氧氣還有連鑄坯切割和日常檢修等用途，實(shí)際量程比應(yīng)該比計(jì)算值更大，按具體測(cè)量值已經(jīng)超出了 7 ∶1。而一般孔板流量計(jì)的量程比為 3∶1，超出該量程比范圍的精度則難以保證，在本案例中，總管*大*小流量已經(jīng)超過(guò)了 7 倍，由此導(dǎo)致總管計(jì)量和支管計(jì)量嚴(yán)重不符。

根據(jù)上述分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們得出結(jié)論，對(duì)于鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)蹇偣苡?jì)量這種工況，常規(guī)的孔板流量計(jì)已經(jīng)不太適用，需要尋找一種量程比大的流量計(jì)量?jī)x表，來(lái)替代原有的差壓式孔板流量計(jì)。
3、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理：
3.1、發(fā)展歷史：
通過(guò)認(rèn)真研究分析，一種基于熱傳導(dǎo)效應(yīng)原理的新型儀表進(jìn)入了我們的視線，這種儀表就是熱式氣體質(zhì)量流量計(jì) ( 以下簡(jiǎn)稱熱式流量計(jì)) 。雖然是新型儀表，但是其測(cè)量原理在 20 世紀(jì)早就提出，20 世紀(jì) 80 年代，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家熱傳導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)開(kāi)始用于氣體質(zhì)量流量的測(cè)量。不過(guò)由于受微電子技術(shù)所限，當(dāng)時(shí)熱式流量計(jì)存在很多缺陷，例如響應(yīng)速度慢，易受干擾等，所有只在一些特殊場(chǎng)合應(yīng)用于小流量監(jiān)測(cè)，或者作為流量開(kāi)關(guān)使用。
進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，過(guò)去制約熱式流量計(jì)的瓶頸不復(fù)存在，計(jì)算速度、精度、抗*力都大幅提升，熱式流量計(jì)技術(shù)得到了快速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于石油、化工、鋼鐵冶金、電力、輕工、醫(yī)藥、環(huán)保等行業(yè)。
3.2、常用測(cè)量方式：
熱式流量計(jì)根據(jù)熱傳遞方式和加熱方式的不同有多種實(shí)現(xiàn)形式，目前比較常用的有恒溫差式和恒功率式 2 種。2 種方式均需要 2 個(gè)熱敏元件作為傳感器，并配套相應(yīng)的控制和計(jì)算電路，以及處理器和加熱器。
恒溫差方式是先加熱一個(gè)熱敏元件，使其比不加熱的元件高出一個(gè)恒定的溫度。隨著介質(zhì)的流動(dòng)，被加熱的元件由于散熱溫度會(huì)降低，通過(guò)反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流 ( 也可以是電壓) 來(lái)保持其溫差為恒定值，再通過(guò)檢測(cè)變化的電流 ( 或電壓) 來(lái)獲得流量的變化值。
恒功率方式是在加熱器上加上一個(gè)恒定的功率對(duì)其中一個(gè)熱敏元件加熱，介質(zhì)在靜態(tài)時(shí)被加熱的元件和不加熱的元件之間溫差*大，隨著介質(zhì)的流動(dòng)溫差減小，通過(guò)測(cè)量溫差的變化來(lái)獲得流量的變化。
3.3、恒溫差和恒功率方式比較：
從控制角度，早期實(shí)現(xiàn)恒溫差控制比實(shí)現(xiàn)恒功率更容易，響應(yīng)更快，因此*初恒溫差方式應(yīng)用較多。但是，恒功率式相比恒溫差有幾個(gè)不可替代的優(yōu)點(diǎn)，所以目前恒功率熱式流量計(jì)成為了主流，這些優(yōu)點(diǎn)包括:
( 1) 恒功率式流量計(jì)的量程更大。隨著介質(zhì)流量的增加，被加熱的電阻的熱量被迅速帶走。對(duì)于恒溫差式流量計(jì)，要保持恒定的溫差，需要加熱電路能夠快速反應(yīng)。但是，受輸出功率和線路*大電流影響，流量計(jì)的加熱功率不可能無(wú)限制增加，因此其*大值受到限制。而恒功率型的則不受這點(diǎn)影響，其量程能夠做的比較大。
( 2) 恒功率流量計(jì)不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計(jì)需要快速調(diào)節(jié)溫度響應(yīng)，一般熱電阻均比較細(xì)，而恒功率流量計(jì)熱電阻可以做得比較粗。對(duì)于臟濕介質(zhì)測(cè)量時(shí)，較細(xì)的電阻，其附著物對(duì)熱電阻散熱產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)使其測(cè)量精度大大降低。恒功率由于熱電阻可以做的相對(duì)較粗，對(duì)臟濕介質(zhì)的測(cè)量會(huì)好很多。
( 3) 恒溫差式流量計(jì)不對(duì)溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，恒功率式卻能對(duì)全范圍溫度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。由于熱流量和平衡常數(shù)隨溫度的變化而變化，一般在 30 ℃ 的范圍內(nèi)為常數(shù)，當(dāng)測(cè)量氣體溫度超過(guò)這一范圍時(shí)，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會(huì)發(fā)生變化。恒功率式流量計(jì)由于其測(cè)量原理，能對(duì)全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。
( 4) 恒功率與恒溫差式流量計(jì)在耐高溫方面有著顯著的差異。目前而言，恒功率的*高耐溫可以做到 454 ℃ ，而恒溫差的流量計(jì)一般都在260 ℃ 以內(nèi)，這對(duì)于測(cè)量過(guò)熱蒸汽而言，其適應(yīng)性有很大的差別。
3.4、恒功率插入熱式流量計(jì)測(cè)量原理：
綜上所述，本次課題我們決定選用恒功率熱式插入流量計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該型流量計(jì)的插入探頭帶有 2 個(gè)鉑熱電阻傳感器，以一定的位置置于流體中，其中一個(gè)給予加熱功率 P，使其溫度升至 T₁ ，另一個(gè)不加熱，用于監(jiān)測(cè)介質(zhì)溫度，設(shè)為 T₂ 。于是 2 個(gè)溫度傳感器之間產(chǎn)生溫差T = T₁ － T₂ 。在流量為零時(shí)， T *大，隨著介質(zhì)流量 Q 的增大，溫度傳感器 T₁ 的熱量被帶走，T₁減小， T 減小。因此，上述的加熱功率 P、溫差T 與質(zhì)量流量 Q 之間存在對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于恒功率熱式流量計(jì)而言，加熱功率 P 等于常數(shù) P₀ 。根據(jù)流體力學(xué)，該函數(shù)關(guān)系可用下式表示:
^P0 = K₁ + K₂ × f( Q) ^K3
式中，K₁ 、K₂ 、K₃ 為與氣體物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。由上式可以看出，在加熱功率 P 恒定的情況下，通過(guò)測(cè)量溫差 T 的變化，就可以求得質(zhì)量流量 Q。

圖 1 恒功率熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量原理圖

同 2016 年 1 ～ 4 月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，更換流量計(jì)后，總管和支管統(tǒng)計(jì)數(shù)量相比，從負(fù)差變成了正差，但是差額從四位數(shù)降到了三位數(shù)，誤差率的優(yōu)良值從 10% 左右降到了不到 3% 。可以認(rèn)定，這次技術(shù)改造收到了良好的效果。
6、結(jié)束語(yǔ)：
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為一種新型的流量檢測(cè)儀表，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，無(wú)壓損，靈敏度高，不需要溫壓補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，尤其該型儀表具備其他常規(guī)儀表所不具備的超高量程比特點(diǎn)，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工況和計(jì)量性能要求，在鋼鐵、有色、化工、環(huán)保、電力等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用空間。