熱式氣體質(zhì)量流量計是基于熱擴(kuò)散原理的流量儀表，即是利用流體流過發(fā)熱物體時，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，具體來說，該流量計的傳感器有兩只標(biāo)準(zhǔn)級的RTD，一只用來做熱源，一只用來測量流體溫度，流體流過時，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)換為測量流量信號的線性輸出。

測量原理：

熱式氣體質(zhì)量流量計由傳感器和信號分析、處理與控制單元兩部分構(gòu)成。傳感器一部分測量溫度，而另一部分用于加熱。前者監(jiān)控實際過程溫度值；后者維持一恒定溫度值，使其總是高于實際過程溫度且與該過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，通過測量加熱器的能量便可得出被測氣體的質(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、氮氣、二氧化碳、氦氣、氧氣）
?氣體泄露檢測

產(chǎn)品特點：

?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；
?直接測量質(zhì)量流量，無須溫壓補(bǔ)償；
?低流速測量非常靈敏；
?設(shè)計、選型方便，安裝、使用簡便；
?適合各類單一或混合氣體流量測量。

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時的流量。
注：瞬時流量的單位可選Nm3/h、Nm3/min 、L/h 、L/min、t/h、t/min 、kg/h 和kg/min。

熱式氣體質(zhì)量流量計在鋼鐵企業(yè)氧氮氬計量中的應(yīng)用：

文章就鋼鐵企業(yè)氧氮氬計量過程中容易出現(xiàn)的問題以及由此造成的后果進(jìn)行了分析，對熱式氣體質(zhì)量流量計的一般工作原理、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，并重點分析了熱式流量計相對孔板流量計的優(yōu)特點及其適用場合，以及通過熱式氣體質(zhì)量流量計解決鋼鐵企業(yè)氧氮氬計量問題所收到的效果。
1、背景：
鋼鐵企業(yè)因煉鋼工藝要求，對氧氣、氮氣和氬氣有大量需求，這3種氣體在冶煉現(xiàn)場的支管計量一般采用孔板等節(jié)流裝置測量差壓值來進(jìn)行計量，由于現(xiàn)場工藝流量設(shè)定值相對固定，波動較小，所以測量精度一般能夠滿足現(xiàn)場工藝要求。
但是對于廠際計量的總管而言，節(jié)流裝置的應(yīng)用存在較大問題，實際應(yīng)用中往往存在較大誤差，以某鋼鐵公司為例，其煉鋼廠的氧氮氬消耗報表和總公司的計量統(tǒng)計報表長期存在偏差，導(dǎo)致成本考核數(shù)據(jù)失真，對生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任制考核造成較大影響，而計量部門使用了各種包括球罐容積標(biāo)定法在內(nèi)的計量手段，對總管和支管的檢測儀表進(jìn)行了多次測量或者標(biāo)定，均證明儀表參數(shù)選型和計算書符合設(shè)計和實際工況要求，沒有大的偏差。
2、原因分析：
排除了參數(shù)設(shè)置和計算方法問題，我們把目光轉(zhuǎn)向了計量儀表本身。經(jīng)過認(rèn)真分析，我們認(rèn)為主要原因是由孔板流量計本身的特點造成的:一般鋼鐵企業(yè)煉鋼廠都有多臺轉(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)備對氧氮氬氣體的使用是一種隨機(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)備同時工作為依據(jù)，但是在實際生產(chǎn)中，流量存在波動，尤其在小流量處會超出正常的量程比。
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，這樣在實際生產(chǎn)中，各轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)時間有一定的隨機(jī)性和交叉性，所以同時只有 1 座小轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)和 4 座轉(zhuǎn)爐同時生產(chǎn)這 2 種比較的情況均會出現(xiàn)，以氧氣為例，實際冶煉時平均工作流量如表 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，實際量程比應(yīng)該比計算值更大，按具體測量值已經(jīng)超出了 7 ∶1。而一般孔板流量計的量程比為 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)超過了 7 倍，由此導(dǎo)致總管計量和支管計量嚴(yán)重不符。

根據(jù)上述分析和統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我們得出結(jié)論，對于鋼鐵企業(yè)氧氮氬總管計量這種工況，常規(guī)的孔板流量計已經(jīng)不太適用，需要尋找一種量程比大的流量計量儀表，來替代原有的差壓式孔板流量計。
3、熱式氣體質(zhì)量流量計原理：
3.1、發(fā)展歷史：
通過認(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 ( 以下簡稱熱式流量計) 。雖然是新型儀表，但是其測量原理在 20 世紀(jì)早就提出，20 世紀(jì) 80 年代，在一些發(fā)達(dá)國家熱傳導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)開始用于氣體質(zhì)量流量的測量。不過由于受微電子技術(shù)所限，當(dāng)時熱式流量計存在很多缺陷，例如響應(yīng)速度慢，易受干擾等，所有只在一些特殊場合應(yīng)用于小流量監(jiān)測，或者作為流量開關(guān)使用。
進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著微電子和計算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，過去制約熱式流量計的瓶頸不復(fù)存在，計算速度、精度、抗*力都大幅提升，熱式流量計技術(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、常用測量方式：
熱式流量計根據(jù)熱傳遞方式和加熱方式的不同有多種實現(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 個熱敏元件作為傳感器，并配套相應(yīng)的控制和計算電路，以及處理器和加熱器。
恒溫差方式是先加熱一個熱敏元件，使其比不加熱的元件高出一個恒定的溫度。隨著介質(zhì)的流動，被加熱的元件由于散熱溫度會降低，通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流 ( 也可以是電壓) 來保持其溫差為恒定值，再通過檢測變化的電流 ( 或電壓) 來獲得流量的變化值。
恒功率方式是在加熱器上加上一個恒定的功率對其中一個熱敏元件加熱，介質(zhì)在靜態(tài)時被加熱的元件和不加熱的元件之間溫差*大，隨著介質(zhì)的流動溫差減小，通過測量溫差的變化來獲得流量的變化。
3.3、恒溫差和恒功率方式比較：
從控制角度，早期實現(xiàn)恒溫差控制比實現(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不可替代的優(yōu)點，所以目前恒功率熱式流量計成為了主流，這些優(yōu)點包括:
( 1) 恒功率式流量計的量程更大。隨著介質(zhì)流量的增加，被加熱的電阻的熱量被迅速帶走。對于恒溫差式流量計，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，流量計的加熱功率不可能無限制增加，因此其*大值受到限制。而恒功率型的則不受這點影響，其量程能夠做的比較大。
( 2) 恒功率流量計不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計需要快速調(diào)節(jié)溫度響應(yīng)，一般熱電阻均比較細(xì)，而恒功率流量計熱電阻可以做得比較粗。對于臟濕介質(zhì)測量時，較細(xì)的電阻，其附著物對熱電阻散熱產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時使其測量精度大大降低。恒功率由于熱電阻可以做的相對較粗，對臟濕介質(zhì)的測量會好很多。
( 3) 恒溫差式流量計不對溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，恒功率式卻能對全范圍溫度變化進(jìn)行自動補(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)測量氣體溫度超過這一范圍時，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會發(fā)生變化。恒功率式流量計由于其測量原理，能對全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進(jìn)行自動補(bǔ)償。
( 4) 恒功率與恒溫差式流量計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 ℃ ，而恒溫差的流量計一般都在260 ℃ 以內(nèi)，這對于測量過熱蒸汽而言，其適應(yīng)性有很大的差別。
3.4、恒功率插入熱式流量計測量原理：
綜上所述，本次課題我們決定選用恒功率熱式插入流量計，具體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。該型流量計的插入探頭帶有 2 個鉑熱電阻傳感器，以一定的位置置于流體中，其中一個給予加熱功率 P，使其溫度升至 T₁ ，另一個不加熱，用于監(jiān)測介質(zhì)溫度，設(shè)為 T₂ 。于是 2 個溫度傳感器之間產(chǎn)生溫差T = T₁ － T₂ 。在流量為零時， 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 之間存在對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，對于恒功率熱式流量計而言，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，通過測量溫差 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)量流量計測量原理圖

同 2016 年 1 ～ 4 月份統(tǒng)計數(shù)據(jù)相比，更換流量計后，總管和支管統(tǒng)計數(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% ?？梢哉J(rèn)定，這次技術(shù)改造收到了良好的效果。
6、結(jié)束語：
熱式氣體質(zhì)量流量計作為一種新型的流量檢測儀表，具有結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，無壓損，靈敏度高，不需要溫壓補(bǔ)償?shù)忍攸c，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，能夠適應(yīng)各種復(fù)雜的工況和計量性能要求，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。