熱式氣體流量計(jì)的研究與應(yīng)用

李學(xué)明

（國(guó)家電投北票發(fā)電有限公司，遼寧 北票 122100）

熱式氣體流量計(jì)是一種可以直接測(cè)量氣體質(zhì)量流量的流量計(jì)，其具有高重復(fù)性、高可靠性、高穩(wěn)定性和高精度，在測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)靈敏度高，尤其適用于大管徑、低流速的測(cè)量。由于熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)具有壓損非常小、機(jī)械結(jié)構(gòu)多樣、安裝靈活、使用方便諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)氣體的流量測(cè)量。依據(jù)《JJG1132-2017熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)》檢定規(guī)程，對(duì)首次檢定、后續(xù)檢定和使用中檢定做了明確的技術(shù)要求[1]。

1 測(cè)量原理

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)探頭有兩個(gè)傳感器，其中一個(gè)溫度傳感器測(cè)量管道內(nèi)氣體介質(zhì)的溫度，另一個(gè)為介質(zhì)速度傳感器，通過電加熱作用將速度傳感器的溫度加熱至高于溫度傳感器測(cè)量得到的溫度，并且保持兩個(gè)傳感器溫差的恒定。當(dāng)氣體介質(zhì)流動(dòng)帶走速度傳感器上的熱量時(shí)，表頭上的電橋電路為保持兩個(gè)傳感器的溫差恒定，速度傳感器需要額外進(jìn)行電補(bǔ)償加熱，這個(gè)補(bǔ)償?shù)募訜峁β蚀笮『蜌怏w介質(zhì)的質(zhì)量流量成正比。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)溫傳感器通常應(yīng)用Pt1000或者Pt300，測(cè)速傳感器一般使用Pt20。由于在t℃時(shí)，兩種傳感器的電阻變化幅度并不相同，這樣就造成電橋的不平衡，導(dǎo)致電橋連接比較器輸入端的電壓不同，從而觸發(fā)新的加熱動(dòng)作[2]。

其中，qm熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)瞬時(shí)流量值，kg/s；K是流量計(jì)出廠標(biāo)定的修正系數(shù)值；ΔP熱式流量計(jì)電橋加熱功率，kJ/s；Cp測(cè)量氣體介質(zhì)的定壓比熱容，kJ/(kg.℃)；Δt熱式流量計(jì)兩個(gè)傳感器的溫差值，℃；qVN是氣體介質(zhì)的標(biāo)況體積流量，Nm3/h；ρN是氣體介質(zhì)的標(biāo)況密度值，kg/m3。

由式（1）、式（2）可見，對(duì)于不同管徑下的氣體測(cè)量，確定氣體介質(zhì)的前提下，通過標(biāo)定修正系數(shù)K值就能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)瞬時(shí)流量和累積流量的計(jì)量[3]。

2 電路仿真

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)采用電橋平衡電路對(duì)測(cè)溫和測(cè)速兩個(gè)傳感器進(jìn)行激勵(lì)，以Pt20和Pt1000的組合為例，電橋左邊回路R1+Pt20，電橋右邊回路R2+Pt1000；電阻R1的阻值為4.9Ω，電阻R2的阻值為270.5Ω，測(cè)量Pt1000的阻值就可以計(jì)算出測(cè)溫傳感器的溫度值。由于通過49Ω采樣電阻和Pt1000的電流相同，分別對(duì)兩個(gè)電阻的電壓進(jìn)行采集，通過比率就可以計(jì)算出當(dāng)前Pt1000的電阻值，進(jìn)而計(jì)算出測(cè)溫傳感器的溫度值。由于采樣電阻49Ω對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確度影響很大，需要電阻具備低溫漂和高精度的特性，在使用的過程中通常需要對(duì)采樣電阻進(jìn)行標(biāo)定，通常是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱接入Pt1000的位置，計(jì)算出采樣電阻的準(zhǔn)確電阻值與49Ω進(jìn)行比較，后續(xù)將此修正系數(shù)帶入計(jì)算過程。對(duì)熱式橋電路進(jìn)行仿真過程如下：假設(shè)管道內(nèi)空氣介質(zhì)的溫度為20℃，則測(cè)溫傳感器Pt1000的電阻值為1077.935Ω?；谏鲜鲭姌蛱匦?，測(cè)速傳感器Pt20需達(dá)到63.67℃（產(chǎn)生43.67℃溫差）才能至電橋平衡，停止對(duì)測(cè)速傳感器進(jìn)行加熱[4]。

圖1 工業(yè)熱電阻溫度和阻值換算軟件Fig.1 Industrial thermal resistance temperature and resistance conversion software

圖2 熱式氣體流量計(jì)測(cè)量電橋電路圖Fig.2 Thermal gas flow meter measuring bridge circuit diagram

假設(shè)測(cè)溫傳感器Pt1000的溫度恒定在20℃不變，當(dāng)不同流速的空氣介質(zhì)在管道內(nèi)流過測(cè)速傳感器Pt20時(shí)，流速越大帶走的熱量越多，即Pt20的溫度越低，Pt20阻值越小。分別假設(shè)Pt20的溫度為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，其對(duì)應(yīng)的電阻值為21.95Ω、22.33Ω、22.72Ω、23.11Ω、23.49Ω、23.88Ω、24.26Ω、24.65Ω；電橋R1阻值上的電壓值分別為：2.175V、2.145V、2.115V、2.085V、2.058V、2.030V、2.003V和 0.419V。 由此可見，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)流量越大時(shí)，電橋采樣電阻的電壓值越大，將采樣值與標(biāo)準(zhǔn)流量值進(jìn)行對(duì)應(yīng)就可以實(shí)現(xiàn)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的出廠標(biāo)定。同理，假設(shè)測(cè)溫傳感器Pt1000的溫度為70℃（1270.751Ω），測(cè)速傳感器Pt20如果達(dá)到平衡停止加熱溫度為119.77℃（恒溫差49.77℃），Pt20在75℃、90℃、110℃下R1的電壓值分別為1.903V、1.834V和1.749V，也驗(yàn)證了上述仿真的正確性[5,6]。

3 儀表設(shè)置

工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)種類繁多，儀表參數(shù)配置也各不相同，以美國(guó)斯亞樂公司的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)為例，流量計(jì)的接線端子包括：交流AC220V供電、直流DC24V供電；瞬時(shí)流量4mA～20mA信號(hào)輸出、工況溫度4mA～20mA信號(hào)輸出、工況表壓4mA～20mA信號(hào)輸出（有些工況現(xiàn)場(chǎng)并不進(jìn)行溫壓補(bǔ)償，所以熱式探頭并不具備溫度和壓力測(cè)量功能），流量當(dāng)量脈沖Pulse信號(hào)輸出；串口RS22數(shù)據(jù)通信接口；繼電器Alarm輸出接口。美國(guó)斯雅樂熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的經(jīng)典型號(hào)是640i和780i系列流量計(jì)，儀表的液晶采用緊湊的點(diǎn)陣式液晶，上電后依次顯示產(chǎn)品版本號(hào)、儀表序列號(hào)、儀表的量程上限、氣體介質(zhì)類型和備注Tag標(biāo)識(shí)。由于LCD的篇幅有限，一個(gè)頁面并不能顯示完全所有的儀表計(jì)量數(shù)據(jù)和配置參數(shù)，并且工業(yè)儀表配有防護(hù)外殼，需要設(shè)置菜單的滾動(dòng)顯示是否開啟。熱式流量計(jì)的計(jì)量數(shù)據(jù)包括瞬時(shí)流量、工況溫度、工況壓力和累積流量值，表頭也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的工藝要求設(shè)置上限或下限告警動(dòng)作[7,8]。

熱式氣體流量計(jì)的氣體介質(zhì)包括：空氣、二氧化碳、甲烷（沼氣）和氧氣。針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的管道情況，還需要設(shè)置管道內(nèi)徑（出廠標(biāo)定流速換算時(shí)使用，出廠帶管段標(biāo)定流量不使用）、管道內(nèi)壁粗糙度（不同管道材質(zhì)會(huì)影響氣體計(jì)量的準(zhǔn)確度，如碳鋼和不銹鋼的管道下，氣體的瞬時(shí)流量值會(huì)有少許變化）。設(shè)置瞬時(shí)流量單位、工況溫度單位、工況壓力單位、設(shè)定工況壓力值、儀表修正系數(shù)、小流量切除、校準(zhǔn)日期，以及電流輸出通道4mA和20mA校準(zhǔn)，4mA壓力下限值、20mA壓力上限值、4mA溫度下限值、20mA溫度上限值，阻尼濾波值（1～200）。除了通過儀表按鍵設(shè)置參數(shù)之外，也可以通過RS232或者RS485連接儀表配套的上位機(jī)配置軟件，實(shí)現(xiàn)計(jì)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集記錄和配置參數(shù)的設(shè)置。

4 結(jié)論

本文闡述了熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的工作原理，熱式電橋電路的仿真過程和常規(guī)表頭的參數(shù)設(shè)置過程。熱式氣體流量計(jì)應(yīng)用兩個(gè)熱電阻傳感器（分別測(cè)流速和測(cè)工況溫度），并通過電橋電路調(diào)整兩個(gè)傳感器至恒溫差效果；通過標(biāo)定不同流速下電橋電路的加熱功率，實(shí)現(xiàn)熱式氣體瞬時(shí)流量的準(zhǔn)確計(jì)量；通過采用電路仿真的方法對(duì)電橋電路的復(fù)雜工作過程進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)溫傳感器在不同的工況溫度下，仿真不同氣體流速下測(cè)速探頭的實(shí)時(shí)溫度值，驗(yàn)證了儀表標(biāo)定可行性。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是具有較高的靈敏度和重復(fù)性的工業(yè)計(jì)量?jī)x表，尤其適用在大管徑、低流速的工業(yè)場(chǎng)合。