摘 要：本文主要介绍了大管径插入式热式气体质量流量计的特点、工作原理及安装和使用。本文对大管径插入式热式气体质量流量计与孔板式差压流量计的性能指标也作了详细的比较。

关键字：大管径 速度传感器 质量流量计 孔板式差压流量计

      1 前言

      安钢烧结厂105m²烧结机所使用的75万m³/h的主抽风机至120m大烟道有一段直径为4m的除尘管道，除尘管道的废气流量测量一直是个难题。检测大管径管道的废气流量，一般选用孔板式差压流量计，但经过多年使用这种流量计的缺点就凸现出来。由于除尘管道流量计管径庞大，加之维修校验不便，在管道中200m高的大烟筒巨大的抽力对孔板的表面产生一定的磨损，孔板管道内有腐蚀，肮脏或微粒物进入等多种因素导致孔板流量计不准或损坏。大管径废气流量的检测特点：

      （1）管径庞大，通常为DN1000mm~DN6000mm，给检测此流量的仪表维修和标定带来了相当的困难，一般检测或清洗探头要耗费大量的人力物力；
      （2）压力和流速低，一般出口压力在10~60kPa，流速为1.5~6m/s，选用的检测仪表要压损小、流量的雷诺数低。
      （3）介质脏，液体中含有大量的灰分和腐蚀物，容易污染流量计的传感器。

      针对上述特点，我们在反复试验的基础上采用了比较先进的大管径插入式热式气体质量流量计来检测大管径废气流量。

      2 热式质量流量计

      热式质量流量计是利用加热时液体温度上升至某一值所需的能量与液体质量之间的关系来测量液体或气体质量的一种流量仪表。一般用来测量煤气等气体质量的流量。它具有压损小、流量范围度大、高精度、高重复性、高可靠性、体积小、易维护不易损坏等特点。

      早期的热式质量流量计直接将加热线圈和测温元件放入液体中与液体接触，是一种接触式流量计，由于现场环境中普遍存在腐蚀、磨损及防爆问题，使它在工业应用中受到很大限制。到20世纪50年代，人们又提出了不接触液体的边界层流量计，克服了接触式流量计的缺点，但测量结果受介质参数（如热导率、比率、粘度）以及环境的震动等因素的影响；到20世纪70年代，基于测量液体温度分布的热分布型HKTMF，优点很多，但只适用于小管径测量。此后，人们又设计一种插入式HKTMF，它在国内得了迅猛的发展，可以用来测量大管径的气体流量。

      3 结构及工作原理

      多点平均矩阵式670S质量流量计使用不锈钢传感探头，增加了准确性、坚固性和可靠性。它有两个探头伸入到被测气体中，一个速度传感器用来检测质量，一个自动修正温度变化的温度传感器用来检测气体温度，这两个探头使用参考级感温元件—铂热电阻。

      插入式HKTMF用标准级铂热电阻（RTD）的铂丝缠绕在一套磁芯棒上插入到一个坚固的不锈钢套筒中，速度传感器RTD的电阻比温度传感器RTD的电阻小得多，并由电子设备供电产生热量。插入式HKTMF的工作原理基于热力学第一定律，即电子设备提供给速度传感器的电功率等于流动的气体对流换热所带走的热量。

                  （1）

      式中：h  为传热系数；
               T_u 为速度传感器的温度；
               A_s 为圆柱形探头表面积；
               T  为温度传感器测得的气体温度。

      参与速度传感器周围的热边界层换热的是流动的气体分子。因此插入型HKTMF传感器检测到的是流体的质量和流量：

      hA_s=a₁+a₂（ρ_u）^m                             （2）

      a₁，a₂，m均为经验确定的系数，他们由被测气体的传热系数、粘度等系数决定。

                        （3）

      多点距阵排列插入式HKTMF，在传感器沿长度方向设置有4~16个不等的质量流速探头，用来测量大管径的总质量流量。多点插入型传感器设置划分为n个等面积环，在每个等面积环的质心设置一个热式质量流速探头。

      4 供电电路

      HKTMF系列有两个传感器，一个是速度传感器，一个是温度传感器。测量时，传感探头插入流体中，感受流体的流速和温度。它们同时是电子组件桥路的两个桥臂，形成一个不平衡电桥。

      通电时，桥臂电流将速度传感器加热到高于温度T一个温差△T的T_u，T-T_u=△T。不平衡电桥就变成平衡电桥。此时电桥便输出一个对应零流量的电压，经放大电路处理，输出流量计的下限信号为4mA；瞬时流量显示为000；且累积流量无累积动作发生，累积显示保持原来的累积数字不变。

      当流体流经加热的速度传感器时，根据热传导原理，将会带走速度传感器的一部分热量，使其温度下降，而且流量越大，带走的热量越多，其温度T₁下降也越大，电桥又变成一个不平衡电桥。由于桥路的反馈控制作用，总要回到平衡电桥状态。为此，电桥必须在速度传感器上流过与流量大小成正比的电流，使速度传感器回到平衡状态时的温度T_u。这时桥路便输出一个正比于流量大小的电压信号。经电路放大、线性化处理，使输出与流量成正比的4~20mA之间的一个电流信号、瞬时流量显示为直到最大刻度流量的一个值，累积动作将以与瞬时流量成正比的速度进行累积。

      如上所述，设速度传感器的加热功率为P，速度传感器与流体的温差为△T，T₁- T₂ =△T。流体的质量流速为Pv。根据L-V.King定理，即流体流经加热的速度传感器时所带走的热量Q，与对速度传感器加热到温度T的电功率P相等。由于桥路的反馈控制作用T₁- T₂=△T为一恒定的常数。所以桥路的输出（决定流量计输出的量）与流体的质量流速P_v成单值函数关系。特别要指出的是，由于速度传感器的热量是被流体中的分子所带走的，所以速度传感器测量的是流体的质量流速P_v。因此只要乘以流体管道的截面积s，便可得到流体的质量流量。

      插入式HKTMF有诸多优点：坚固的结构，适用于煤气区域等工业应用；测量范围大；准确度重复性好；响应时间快；可测量含中等固体颗粒的气体。

      5 大管径流量仪表的比较

      插入式HKTMF、孔板式差压流量计两者均能检测大管径流量，我们可以作一比较，由表1中明显看出大管径插人式热式气体质量流量计在各项性能指标中有很大的优势，因此它是差压式流量计的替代品。

      表1 插入式HKTMF与其他流量计的性能比较

主要性能	差压式流量计	热式气体质量流量计	涡街流量计
测量方式	Δp- 差压 k-仪表系数		F=S1u/d
标定法	有标准可循	理想化标定	可以标准标定
准确度	±2%	±0.5%	±5%
压力损失u	较高，有时50%	较低，不考虑	较高
可靠性	可靠	可靠性高	可靠性较差
价格	适中	适中	昂贵
应用情况	普遍	最近使用	普遍
适用范围	液体、气体	气体、煤气最好	液体

      6 结论

      在烧结生产中，很多地方已经使用了质量流量计，比如点火炉的空气流量和煤气流量，在这些位置较高和不安全的地方，质量流量计已发挥了巨大的作用。从使用热式气体质量流量计检测废气流量的效果来看，它测量准确、平稳、维修量小，具有较好的可靠性和经济性，因此它在冶金行业受到了普遍的欢迎。