小流量氣體質(zhì)量流量計(jì)

質(zhì)量流量控制器傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微小流量測量，其特點(diǎn)是可靠性高、重復(fù)性好，壓損小，無可動(dòng)部件，量程比寬，響應(yīng)時(shí)間較快，測量精度高，無需要溫度壓力補(bǔ)償，廣泛應(yīng)用于輕工化工環(huán)保及半導(dǎo)體等工業(yè)部門的空氣、氧氣、氬氣、氮?dú)獾葰怏w的檢測和控制。

工作原理：

感熱式芯片技術(shù)是采用大規(guī)模集成電阻的工作，在芯片上，一個(gè)微熱源及分別處于微熱源上下游的溫度傳感器集成在采用MEMS的*工藝制作的鏤空橋面上，采用這這樣的橋式方式制作有利于熱傳導(dǎo)，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大大提高，當(dāng)傳感器工作時(shí)，微熱源與環(huán)境溫度之間保持一定的溫差（通常是70℃），在芯片周圍形成固定的溫度場分布，如果氣體是單向流動(dòng)，則在氣道中溫度場可用下述公式來計(jì)算:

式中：氣體流動(dòng)方向?yàn)椋?，速度為ｖ，ａ為擴(kuò)散率。如上圖（式）所示，當(dāng)氣體流過芯片時(shí)，將會(huì)帶走熱量，通過質(zhì)量流量qm和電壓V的對應(yīng)關(guān)系來計(jì)算流體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

·產(chǎn)品集成度高，集瞬間流量顯示、累計(jì)流量顯示和信號(hào)輸出一體，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制閥門

·微流量感熱式傳感器采用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)技術(shù)和材料加工技術(shù)，使流量計(jì)的微流量測量靈敏度顯著提升

·微小流量氣體測量，ml/min級的微流量測控，實(shí)現(xiàn)微小流量測量的數(shù)字化

·單個(gè)芯片的流量特性的微處理技術(shù)，使流量計(jì)的量程范圍大大提高

·機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使流量計(jì)具有更好的重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量的準(zhǔn)確、可靠

·結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，流量計(jì)的壓力損失達(dá)到*小化

·新的傳感技術(shù)，使流量計(jì)工作更穩(wěn)定、可靠

·零點(diǎn)自校功能，測量更準(zhǔn)確

·多種氣體實(shí)際標(biāo)定，全量程補(bǔ)償

·快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，配合上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中管理

·規(guī)格齊全，量程范圍寬，可根據(jù)用戶要求單獨(dú)標(biāo)定

·精度等級高，滿足用戶高精度測量要求

·的流量計(jì)報(bào)警功能，使監(jiān)控更可靠

·操作、設(shè)置界面友好、簡便，可根據(jù)需要自行設(shè)定相關(guān)參數(shù)

·運(yùn)用行業(yè)多，是科研院所、分析儀表行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、光伏行業(yè)、玻璃鍍膜、石油化工行業(yè)微小氣體流量控制產(chǎn)品升級換代的優(yōu)選

技術(shù)參數(shù)：

·測量介質(zhì)：各種氣體（乙炔氣和混合氣體除外）

·測量管徑：DN3，6，8，10

·流量范圍：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100SLPM

·流量測量準(zhǔn)確度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作溫度范圍：-25℃-55℃

·工作壓力范圍：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供電電源：24VDC±10%；

·輸出信號(hào)：4-20mA，RS485通訊；

·環(huán)境溫度：-25℃-55℃

·顯示位數(shù)：瞬時(shí)流量為三位，累積流量10位。

外觀尺寸：

根據(jù)熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理,以主泵第三級密封泄漏流的測量為例,分析了其在核電廠液體微小流量測量中的適用性,并與現(xiàn)有的測量方法進(jìn)行了比較。流量是核電廠運(yùn)行過程中重要的過程參數(shù)之一,常用的流量測量儀表有華陸品牌孔板流量計(jì)、超聲波流量計(jì)、電磁流量計(jì)以及熱式質(zhì)量流量計(jì)等。熱式質(zhì)量流量計(jì)目前多用于工業(yè)中氣體流量的測量, 在核電廠中則普遍應(yīng)用于通風(fēng)系統(tǒng)流量測量場合。在采用軸封型主泵的核電廠中,主泵第三級密封泄漏流是典型的微小流量工況?？装辶髁坑?jì)和超聲波流量計(jì)通常并不適用或不能取得良好的測量效果。熱式質(zhì)量流量計(jì)自問世以來,已在核電廠通風(fēng)系統(tǒng)中獲得了成功的應(yīng)用,而在液體微小流量測量方面,HLMFM06熱式質(zhì)量流量計(jì)也具有一定的適用性。

1熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理

熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用熱傳導(dǎo)原理,即通過流動(dòng)中的流體與熱源之間的熱量交換,來測量介質(zhì)流量的儀表,主要可分為兩類: 利用流體流動(dòng)傳遞熱量改變測量管壁溫度分布( 即熱傳導(dǎo)分布) 效應(yīng)的熱分布式流量計(jì),也稱為量熱式質(zhì)量流量計(jì); 利用熱消散效應(yīng)( 基于金氏定律) 的侵入式質(zhì)量流量計(jì),也稱為導(dǎo)熱式質(zhì)量流量計(jì)或插入式質(zhì)量流量計(jì)。

華陸品牌熱分布式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是在測量管外壁上、下游各繞兩組加熱/檢測線圈,兩組線圈通以恒定電流加熱,當(dāng)流體靜止( 無流量通過) 時(shí),兩組線圈中心上、下游溫度分布處于對稱平衡狀態(tài),兩組檢測線圈的電阻相等; 當(dāng)有流體流動(dòng)時(shí),流體將上游管壁熱量帶走傳遞給下游管壁,破壞原平衡狀態(tài),線圈電阻產(chǎn)生差異,檢測其差值從而求得流體質(zhì)量流量:

式中A ———熱傳導(dǎo)系數(shù);

c_p———被測介質(zhì)的定壓比熱容;

K ——— 常數(shù) 。

熱消散效應(yīng)( 基于金氏定律) 侵入式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理是將兩個(gè)溫度傳感器( 一般為鉑熱電阻) 分別置于管道的流體中,由其中一個(gè)鉑電阻測得流體本身的溫度T,另一個(gè)鉑電阻經(jīng)一定功率的電加熱,其溫度T_V高于T,當(dāng)流體靜止時(shí)其溫度高,伴隨著管道中流體流量的增加,流體流動(dòng)帶走更多熱量使T_V降低,即可通過溫度差求取流量值?；诮鹗隙傻臒峤z熱散失率為:

式中c_v———流體的定容比熱容;

d ———熱絲直徑;

H / L ———單位長度熱散失率;

V ——— 流體的流速;

ρ ——— 流體的密度;

λ ———流體的熱導(dǎo)率。

侵入式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)對鉑熱電阻的加熱方式,又分為恒功率式、恒溫差式和恒比率式。

恒功率式是在加熱電路上用一個(gè)恒定功率的電能對鉑電阻進(jìn)行加熱,流體介質(zhì)在靜態(tài)時(shí),被加熱的鉑電阻和沒有被加熱的鉑電阻之間溫度差大,隨著流體介質(zhì)的流動(dòng),被加熱鉑電阻上溫度降低,則兩個(gè)鉑電阻之間的溫差減小。恒功率式熱式質(zhì)量流量計(jì)是通過測量溫差的變化來獲得流體介質(zhì)流量的變化。

恒溫差式是加熱一支鉑電阻,使其比不加熱的鉑電阻高出一個(gè)恒定的溫度。隨著流體介質(zhì)的流動(dòng),被加熱的鉑電阻由于散熱而導(dǎo)致溫度降低, 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。

恒比率式是在恒溫差原理的基礎(chǔ)上,通過調(diào)節(jié)施加在加熱端熱電阻上的加熱電流以保證被加熱的鉑電阻阻值與不加熱的鉑電阻阻值成一恒定比率。同恒溫差式質(zhì)量流量計(jì)一樣,恒比率式質(zhì)量流量計(jì)也是通過檢測變化的電流來獲得管道中流體的流量值。

2核電廠中微小流量的測量與熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用

2.1核電廠中的典型微小流量測量工況

在使用軸封型反應(yīng)堆冷卻劑泵( 主泵) 的核電廠中,主泵的第三級密封泄漏流是一種典型的微小流量工況。軸封系統(tǒng)是軸封型主泵的關(guān)鍵部件,其長期可靠運(yùn)行不僅關(guān)系到核電廠的正常運(yùn)行,也直接影響到核電廠的安全。軸封的功能是保證核電廠正常運(yùn)行期間從一回路系統(tǒng)沿主泵泵軸向安全殼空間環(huán)境的反應(yīng)堆冷卻劑泄漏量基本為零,要求其長期處于高壓差工況,并維持可控泄漏率。

2.2常用的主泵第三級密封泄漏流量測量方法

目前在多個(gè)核電廠( 例如秦山核電) 中,采用容積式流量測量的方法,即通過液位儀表測量主泵密封泄漏流量在容器中的變化速率來推算泄漏流量。測量示意圖如圖1所示。

容積式流量測量裝置一般由容器( 允許流入和流出) 和液位開關(guān)組成。當(dāng)正常運(yùn)行時(shí),容器內(nèi)的液位隨液體流入和流出速率的變化而變化

式中a ———容器下泄口的面積;

A ———容器的截面積;

f ( t ) ——— 泄漏流的瞬時(shí)流量;

h ( t ) ——— 容器內(nèi)液位 。

當(dāng)流量增大時(shí),流入容器的流量大于經(jīng)容器下泄口流出的流量,容器內(nèi)的液位開始上升。當(dāng)上升至容器內(nèi)的設(shè)定點(diǎn)時(shí),觸發(fā)液位開關(guān)動(dòng)作,發(fā)生報(bào)警,表明第三級泄漏流的流量過大。若將液位測量儀表由液位開關(guān)改為液位變送器,并配合數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng),則可獲取泄漏流實(shí)時(shí)流量。

2.3華陸品牌熱式質(zhì)量流量計(jì)的適用性

考慮到容積式流量測量裝置結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,安裝維護(hù)和校準(zhǔn)不方便,有必要在滿足精度和抗震性能要求的前提下,采用安裝和維護(hù)方便的其他形式流量測量儀表。熱式質(zhì)量流量計(jì)已在氣體流量測量領(lǐng)域獲得了成功的應(yīng)用,具有無可動(dòng)部件、 壓損小及量程比寬等特點(diǎn),例如在核電廠的通風(fēng)系統(tǒng)中,已成功地替代皮托管成為重要的測量方式。但在液位流量測量領(lǐng)域,熱式質(zhì)量流量計(jì)的應(yīng)用仍具有局限性。

2.3.1基本性能

HLMFM06熱式質(zhì)量流量計(jì)作為一種直接測量質(zhì)量流量的智能型流量儀表,具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、數(shù)字化程度高及安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。熱式質(zhì)量流量計(jì)的測量精度一般約為 ± 1% ,重復(fù)性為 ± 0. 2% ; 量程比寬可達(dá)100∶ 1 ,高可達(dá)1000∶ 1 ; 在 - 40 ~ 60℃ 的環(huán)境溫度下可正常工作; 可耐受3MPa或更高的管道壓力; 允許介質(zhì)工作溫度 - 70 ~ 400℃ ; 允許被測液體的流速為0 ~ 4m/s ; 支持HART協(xié)議 。 另外,具有壓損小、直管段要求低和允許動(dòng)態(tài)修正的特點(diǎn),其響應(yīng)時(shí)間較長,未采用特殊設(shè)計(jì)時(shí)可達(dá)幾秒。熱式質(zhì)量流量計(jì)具有一體式和分體式兩種結(jié)構(gòu),在累積輻照劑量較大區(qū)域,可采用分體式流量計(jì)進(jìn)行測量,信號(hào)處理部分布置于累積輻照劑量較小區(qū)域。

主泵第三級密封泄漏流正常工況下在5L/h左右,達(dá)到50L/h時(shí)報(bào)警,不用于過程控制。在電廠正常運(yùn)行工況下,測點(diǎn)所在區(qū)域的環(huán)境溫度約為50℃以下,工作壓力小于0. 6MPa,工作溫度小于100℃,要求測量范圍的量程比約為30∶ 1,屬于非1E級測點(diǎn)。因此,就測量要求而言,熱式質(zhì)量流量計(jì)適用于主泵第三級密封泄漏流量的測量。

2.3.2抗震性能

由于主泵第三級密封泄漏流測點(diǎn)位于安全殼內(nèi),周圍存在1E級儀表和核級管道,盡管測點(diǎn)本身不需要在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)事件工況下執(zhí)行功能,但不應(yīng)對其他需要執(zhí)行功能的設(shè)備或儀表造成損害, 因而用于該測點(diǎn)的儀表應(yīng)滿足抗震要求,在SSE地震載荷下,滿足結(jié)構(gòu)完整性的要求,避免放射性物質(zhì)經(jīng)儀表破口向環(huán)境釋放以及對周圍1E級儀表和核級設(shè)備產(chǎn)生潛在危害。

2.3.3耐輻照性能

因主泵第三級密封泄漏流測點(diǎn)位于安全殼內(nèi),在電廠正常運(yùn)行工況下,探頭所處的環(huán)境具有一定的電離輻射存在。因而,用于該測點(diǎn)的儀表應(yīng)能經(jīng)受一定的累積輻照劑量而測量結(jié)果仍在要求的測量精度范圍內(nèi)。目前,對于儀表的耐輻照性能,主要采用試驗(yàn)法進(jìn)行驗(yàn)證。

對某一型號(hào)分體式熱式質(zhì)量流量計(jì)探頭進(jìn)行耐輻照試驗(yàn),輻射源采用鈷 - 60,試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)40h以上,累積輻照劑量約2 × 10⁴Gy,輻照后進(jìn)行功能試驗(yàn),流量計(jì)的輸出維持在測量精度范圍內(nèi), 表明該型流量計(jì)可以經(jīng)受若干年的累積輻照劑量而不損壞。

2.3.4安裝

為便于安裝和維護(hù),流量計(jì)可采用法蘭法蘭連接的形式。在一般情況下,為了滿足測量精度,HLMFM06熱式質(zhì)量流量計(jì)對于前后直管段的要求較高,部分型號(hào)的流量計(jì)要求的直管段長度可達(dá)到前15D、后5D以上。但由于流量計(jì)允許動(dòng)態(tài)修正,經(jīng)過標(biāo)定和修正后,可降低熱式質(zhì)量流量計(jì)的前后直管段要求。對于主泵第三級密封泄漏流的測量,熱式質(zhì)量流量計(jì)可滿足安裝和維護(hù)要求。

2.4水流量測量試驗(yàn)驗(yàn)證

熱式質(zhì)量流量計(jì)在出廠前均經(jīng)過出廠標(biāo)定, 以確保其性能滿足要求。此外,為了驗(yàn)證流量計(jì)在主泵第三級密封泄漏流量測量場合的適用性, 搭建了模擬試驗(yàn)裝置如圖2所示。試驗(yàn)裝置由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)、壓力表、Swagelok計(jì)量閥和管道組成。流量計(jì)探頭安裝在壓力表和閥門之間,測量信號(hào)通過電纜送至流量計(jì)的數(shù)據(jù)處理單元,并在顯示儀上進(jìn)行顯示。計(jì)量閥用于調(diào)節(jié)試驗(yàn)裝置的流量,玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)測得的結(jié)果作為熱式質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果的參考,壓力表用于試驗(yàn)裝置試驗(yàn)過程壓力的測量。

2.5布置設(shè)計(jì)

采用華陸品牌熱式質(zhì)量流量計(jì)替代容積式流量測量裝置測量主泵第三級密封泄漏流量,對于簡化泄漏流管道布置和儀表安裝具有一定的積極作用。然而為了確保流量計(jì)正常工作,以及安裝和維護(hù)方便,流量計(jì)的布置也需要采取一些措施。一般泄漏流管道的通徑采用DN25mm,由于泄漏流量小, 在電廠運(yùn)行過程中,可能出現(xiàn)泄漏流管道內(nèi)介質(zhì)不滿管的情況,這一情況對于流量計(jì)的測量是不利的。為了滿足流量計(jì)測量條件,采取如下措施: 熱式質(zhì)量流量計(jì)自帶管道采用通徑較小的管道, 如DN8mm,與泄漏流管道通過異徑接頭進(jìn)行連接; 在流量計(jì)下游適當(dāng)位置設(shè)置一段向上的坡度后再向下接至下泄管道,替代直接向下接至下泄管道的做法。通過上述措施,避免泄漏流管道內(nèi)出現(xiàn)介質(zhì)不滿管的情況。另外,流量計(jì)與管道采用法蘭安裝,以簡化安裝和維護(hù)。