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1、热式质量流量计 （Thermal Mass Flow-TMF) 培训教程 热式质量流量计 （Thermal Mass Flow-TMF) 利用流动中的流体与热源（流体中外加热的物体或测量管 外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表。 TMF用的最多的有两类（用于气体测量）： 1.热分布式流量计（thermal profile flowmeter) 利用流动流体传递热量，改变测量管壁温度分布的热 传导分布效应。这种质量流量计，曾称量热式流量计。 2.金氏定律热式流量计（Kings law TMF) 利用热消散（冷却）效应。这种流量计由于在结构上 检测元件伸入测量管内，也称浸入型（immersi
2、on type） 或侵入型（intrusion type）。 按照热式质量流量计的原理，有的公司也推出了适用于液 体微小流量测量的TMF。 内容 一、热分布式TMF 原理 分类 二、基于金氏定律的浸入型TMF 热散失率公式 温度测量法 功率消耗测量法（恒温差测量法） 三、液体TMF 原理 特点 四、TMF的特点 优点 缺点 五、TMF的分类 六、TMF选用考虑要点 七、TMF选用 八、TMF安装使用 九、TMF应用举例 一、热分布式TMF 热分布式TMF原理(1) 流量传感器由细长的测量管和绕在其外壁上的加热器及感温元件 组成，加热器线圈布置在测量管的中央，它将管壁及管内的流体 加热。 在加热
3、线圈两边对称位置绕有两个感温热电阻R1和R3，测量与加 热线圈对称的上、下游处管壁的温度T1、T2。R1、R2与另外两个 电阻组成惠斯登电桥，以测量温差T（T=T2-T1）。 加热器提供恒定的热量，通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传 导热量给管内流体。边界层内热量的传递可以看作是由热传导方 式实现的。 热分布式TMF原理(2) 在流量为零时，测量管上的温度分布如图中的虚线所示，相 对于测量管中心的上、下游是对称的，电桥处于平衡状态； 当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度 分布变化如实线所示。由电桥测出两感温体的平均温差T ，便可按下式导出质量流量qm,即： 式中：A感温元件周围
4、环境热交换系统间的热传导系数 ； cp被测气体的定压比热容； K仪表系数。 总的热传导系数A中,因测量管壁很薄 且具有相对较高的热导率,仪表制成 后其值不变，因此A的变化可简化认 为主要是流体边界层热导率的变化。 当使用于某一特定范围的流体时，A 和cp都可视为常数，则质量流量仅与 温差T成正比，如图Oa段所示。 Oa段为仪表正常测量范围，仪表出口处流体不带走热量 ，或者说带走热量极微；超过a点流量增大到有部分热量 被带走而呈现非线性，流量超过b点则大量热量被带走。 TMF用于测量微小流量。 热分布式TMF原理(3) 热分布式TMF原理(4) (测量管加热方式) 测量管加热方式大部分产品采用两
5、绕组或三绕组线绕电阻； 除管外电阻丝绕组加热方式外还利用管材本身电阻加热方式 ，如下表所示。 测量管形状有直形管，还有字形结构。三绕组中一组在 中间加热，两组分绕两壁测量温度。 热分布式TMF原理(5) 为了获得良好的线性输出，必须 保持层流流动，测量管内径D设 计的很小而长度L很长，即有很 大L/D比值，流速低，流量小。 为了扩大仪表流量，还可采用在 管道内装管束等层流阻流件；扩 大更大流量和口径还常采用分流 方式，在主管道内装层流阻流件 （见图），以恒定比值分流部分 流体到流量传感部件。 热分布式TMF原理(6) 以上这种气体质量流量计是假定气体的定压 比热容cp为恒定值。但当被测气体是混
6、合气 体时，定压比热容cp的值将随组份比发生变 化，以致在实际使用时，当被测气体组份发 生变化时，会带来显著的测量误差，必须进 行校正。 内容 热分布式TMF分类 热分布式TMF按测量管内径分为两大类 细管型（也有称毛细管型） 细管型测量管内径仅0.20.5mm，稍大者为0.81mm ，极易堵塞，只适用于净化无尘气体。 小型 内容 细管型仪表 还有一种带 有调节单元 和控制阀等 组成一体的 热式质量流 量控制器 二、基于金氏定律的TMF (一)基于金氏定律的浸入型TMF 热散失率 金氏定律的热丝热散失率表述各参量间的关系： 式中：H/L单位长度热散失率，J/mh； T热丝高于自由流束的平均升高
7、温度，K； 流体的热导率，J/hmK； cv 定容比热容，J/kgK； 密度，kg/m3； V流体的流速，m/h； d热丝直径，m。 链接 内容 (二)基于金氏定律的浸入型TMF 温度测量法 右图为浸入型TMF原理图 。 两温度传感器（热电阻）分 别置于气流中两金属细管内 ，一热电阻测得气流温度T ，另一细管经功率恒定的电 热加热，其温度TV高于气 流温度，气体静止时TV最 高，随着质量流速（V） 的增加，气流带走更多热量 ，温度下降，测得温度差： 方法一：温度差测量（温度测量法） 质量流速（V）与温度差之间成一定的函数关系。 内容 (三)基于金氏定律的浸入型TMF 功率消耗测量法（恒温差测量
8、法） 根据金氏定律的热丝热散失率表述的各参量间的关系： 得到质量流速： 再乘上点流速与管道平均流速间系数和流通面积得质量流量qm 。 消耗功率P和温度差T之间的关系： 式中B、C、K均为常数，K在1/31/2之间。 再将上式变换成： 式中：E是与所测气体物性如热导率、比热容、粘度等有关的 参数，如果气体成份和物性恒定则视为常数。D是与实际流 动有关的常数。 方法二：功率消耗测量法（恒温差测量法） 保持T恒定，控制加热功率随着流量增加而增加。 返回 链接 内容 三、液体热式质量流量计 适用于液体微小流量测量。 以下为一种类型液体质量流量计的实际功能图。 内容 （一）液体热式质量流量计原理 在特殊
9、设计的传感 器中，流体在测量 管内流动，测量管 中点温度T4被控制在 比进口温度T3高20 的恒定值，热量是 垂直于管道轴线方 向传送给流体。 在区域1和区域2， 流体分别被轻微地 加热和冷却，流体 温度从T2变化到T1， 建立了垂直于测量 管的能量流，该能 量流经温度传感器 测量，其温度差值: T=T1-T2与质量流量成精确的线性关系。 内容 （二）液体热式质量流量计特点 这种类型的TMF其测量范围有0200g/h和 01000g/h（用水标定）两种。 流体粘度允许高达200mPas。 仪表最大压差4MPa。 流量测量精确度为0.5%FS。 内容 四、TMF的特点优点 1.可测微小流量 热分
10、布式TMF可测量低流速（气体0.022m/s）微小流量 ； 浸入式TMF可测量低中偏高流速（气体260m/s）； 插入式TMF适合于大管径。 2.无活动部件 3.压力损失小 无分流管式的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小； 带分流管的热分布式仪表和浸入型仪表，虽在测量管道中置 有阻流件，但压力损失也不大。 4.热分布式仪表用于H2、N2、O2、CO、NO等接近理想气体的 双原子气体，不必用这些气体专门标定。直接用空气标定的 仪表，实验证明差别仅2%左右，用于Ar、He等单原子气体 则乘系数1.4即可；用于其他气体可用比热容换算，但偏差 可能稍大些。（气体的比热容会随着压力温度而变，但在所 使用
11、的温度压力附近不大的变化可视为常数） 内容 四、 TMF的特点缺点 1响应慢。 2被测气体组份变化较大的场所，因cp值和热导率变 化，测量值会有较大变化而产生误差。 对于小流量，仪表会给被测气体带来相当的热量。 对于热分布式TMF，被测气体若在管壁沉积垢层影 响测量值，必须定期清洗；细管型仪表易堵。 对脉动流在使用上受到限制。 液体用TMF对于粘性液体在使用上受到限制。 内容 五、TMF分类 按流体对检测元件热源的热量作用： 热量传递转移效应 将测量管上游部分热量通过流体转移 给下游部分。如热分布式TMF。 热量消散效应或冷却效应 如浸入式TMF。 按检测变量： 温度测量法 以恒定功率提供热量
12、，测量随着流量而变的 温度，又称定功率测量法。 功率消耗测量法 保持加热元件和被测流体温度差恒定 ，控制和测量热源提供功率，功率消耗随着流量增加而增加 ，又称恒温差测量法。 按流量传感器结构（有测量管的）： 接入管道式 流量传感器必须在管道待测位置截断后接入 。 插入式 插入检测控头到待测管道内。 按测量流体： 气体用、液体用 内容 六、TMF选用考虑要点（1） 1.TMF目前绝大部分用于测量气体,只有少量用于测 量微小液体流量。 2.热分布式仪表使用口径和流量均较小，较多应用于 石油化工微型反应装置、镀膜工艺、光导纤维制造 、热处理淬火炉等各种场所的氢、氧、氨、燃气等 气体流量控制，以及固体
13、致冷中固体氩蒸发等累积 量和阀门制造中的泄漏量的测量等。在气体色谱仪 和气体分析仪等分析仪器中用于监控取样气体量。 分流型热分布式仪表应用于3050mm以上管径时， 通常在主流管道上装孔板等节流装置或均速管，分 流部分气体到流量传感器进行测量。 六、TMF选用考虑要点（2） 3.冷却效应的插入式TMF国外近年在环境保护和流程工程工 业中应用发展迅速。 例如：水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制、煤粉燃烧过程粉/气 配比控制、污水处理发生的气体流量测量，燃料电池工厂各种气体 流量测量等等。大管道用还有径向分段排列多组检测元件组成的插 入检测杆，应用于锅炉进风量控制以及烟囱烟道排气监测SO2和NO2
14、 排放总量。 4.液体微小流量TMF应用于化学、石油化工、食品等流程工 业实验性装置。 如液化气流量测量，注入过程中控制流量；高压泵流量控制的反馈 量；药液配比系统定流量配比控制；还有在色谱仪等仪器上用作定 量液取样控制以及用于动物实验麻醉液流量测量等等。 内容 七、TMF选用（1）流体种类 和物性 只能用于测量清洁单相流体气体或液体。 用于气体的型号不能用于液体，反之亦然。 对于热分布式TMF，所测量的必须是干燥气体，不 能含有湿气。 流体可能产生的沉积、结垢以及凝结物均将影响仪 表性能。对于热分布式TMF，制造厂应给出可接受 的不清洁程度。例如大部分给出微粒粒度，用户按 此决定是否在仪表前
15、装过滤器。侵入式TMF对清洁 度要求低些，可用于测量烟道气，但必须装有插入 机构，能在不停流条件下取出检测头。 七、TMF选用（2）流体的比热 容和热导率 TMF工作时流体的比热容和热导率必须保持 恒定才能测量准确。 被测介质工况温度、压力变化范围不大，仅 在工作点附近波动，比热容变化不大，可视 为常数。 若工作点压力温度远离校准时压力温度，则 必须在该工作点压力温度下调整。 七、TMF选用（3）流量值的 换算 热分布式TMF制造厂通常用空气或氮气在略高于常压的室温工况条件下 标定（校准）。如实际使用工况有异或不用于同一气体，均可通过各自 条件下的比热容或换算系数换算。 1.同一气体不同工况的流量换算 2.不同气体间流量换算 有些制造厂的使用说明书给出以空气为基数的
