热式质量流量计在化工行业中的应用

一、引言

量热式气体质量流量计专用于单一组分的气体或固定比例的混合气体测量，目前已广泛应用于石油、化工、半导体、医疗仪器、生物工程、燃烧控制、配气、环境监测、精密仪器、科研、计量、食品、冶金、航天航空等领域。

量热式质量流量计用于精密测量和自动控制气体的质量流量。采用标准输入输出信号，可实现计算机集中控制。在大庆石化公司就有多种形式的应用，比如聚丙烯装置氢气流量表FT-121A/B采用的是BROOKS量热流量计，量程为1.45Kg/H和9.5Kg/H。

与传统的流量计相比，它不需配置温度、压力变送器，不用进行温度、压力的补偿就能直接测量质量流量(在标准状态下，0℃，101.325KPa)。

当气体作为生产过程中的控制变量时（例如燃烧、化学反应、通风排气、产品烘干等），使用质量流量控制器直接测量，可控制气体的克分子数量。

如果要保持定量的气体混合作为混料或配料，或者要优化化学反应过程，到目前为止还没有比使用质量流量控制器更好的技术。质量流量控制器连续可调控制流量，通过显示仪还可获得累积流量。

热式质量流量计还是管道系统、阀门类密封性检测的较好仪器，它直接显示漏气量。质量流量计性能价格比高，易于安装，操作简便，使用质量流量计和质量流量控制器产品是最合理的选择之一。

由于此类质量流量计的传感器是热式原理，如果气体不是干燥的气体，将影响传热效率，从而影响传感器的输出信号和测量精度。

二、基本原理

热式质量流量计根据热源及测温方式的不同可分为接触式和非接触式两种。

1．接触式热式质量流量计

这种质量流量计的加热元件和测温元件都置于被测流体的管道内，与流体直接接触，常被称为托马斯流量计，适于测量气体的较大质量流量. 其结构原理如图1所示。由于加热及测量元件与被测流体直接接触，因此元件易受流体腐蚀和磨损，影响仪表的测量灵敏度和使用寿命。测量高流速、有腐蚀性的流体时不宜选用，这是接触式的缺点。

图1: 接触式热式质量流量计结构原理
l、3—热电偶；2一加热器；4一功率表

2．非接触式热式质量流量计

这种流量计的加热及测温元件都置于流体管道外，与被测流体不直接接触，克服了接触式的缺点。热式微流量型(是非接触式质量流量计的典型结构)如图2所示。仪表的测量导管，为薄壁小口径镍管，镍管外部两侧缠绕铂电阻丝3、5作为测温线圈，并作为测量电桥的两臂R1、R2。两测温线圈的中间缠绕着锰铜丝加热线圈4，作为仪表的加热器。当流体静止时，由于测温线圈对称地安装在加热器两侧且阻值相等(各100 左右)，因此测量电桥处于平衡状态。但当流体在镍管中流经测温电阻时，就破坏了加热器的温度场，两测温线圈处于不同的温度场内，因而引起电阻值发生变化。两测温线圈阻值不等，破坏了电桥的平衡。根据电桥平衡原理，由检流计8测得电阻值的变化, 即可求得质量流量M。

非接触式热式质量流量计
1—测量导管; 2—等温外壳; 3—测温线圈; 4—加热线圈
7—调零电阻; 8—检流计 [p] 热式微流量计适用于测量液体和气体的微小质量流量。可测0--100cm3／h的微小液体流量和l0L／h左右的微小气体流量。

为了使结构简化，有些产品取消了加热器，只用两只测量电阻，既作加热元件又作为测温元件。这种设计，由于热惯性的原因，仪表反映速度比较小，灵敏度较低; 被测流体温度变化影响仪表指示的准确度。

为了提高非接触热式质量流量计的流量测量范围，设计了一种边界层质量流量计，它利用测量流体靠近管壁的边界层的热传导来反映流量的大小．用这种方式测量流量，一般是利用控制管外壁的加热器给出的热量来保持边界层内外温差恒定，然后根据热源测量反映出质量流量。

热式质量流量计目前发展较快的有：热线质量流量计、边界层质量流量计、分流式热毛细管质量流量计以及用IC基板技术的热式质量流量计等。

三、 实际应用与维护

我厂聚烯烃装置中因为控制树脂分子量需要调节氢气、氧气等的注入量，而采用了4台热式微质量流量计。根据热式微质量流量计这几年运行的实际情况，对其可靠性、精确度作如下分析：

（一）可靠性

1.平均故障间隔时间（MTBF）

采用平均故障间隔时间（MTBF）来衡量设备的可靠性。此处的故障指已出现明显的显示错误，超出仪表的精度要求。由于单台设备没有出现过两次故障现象，这里可以把整体假定为1台仪表在4倍的时间里运行，出现过一次故障。

MTBF = 工作时间/故障次数
=4×6×365×24 / 1
≈2.1×105（h）

2.平均修复时间（MTTR）

以位号FT-201A微流量计为例：因为传感器内部检测元件出现问题，返回厂家修理、标定，历时2个月。由此可知，热式微质量流量计的平均修复时间受外部因素的影响比较大。

(二)精度

所有热式微质量流量计在工作一段时间后的测量误差做实际对照，流量测量值与标准标定读数的最大误差均不大于1%，则从实际仪表测量值与标定、情况看，它已满足生产需要。

(三)设备维护

我厂处于高寒地区，对应用设备的耐低温特性要求极为严格。尽管有一些热式微质量流量计标称的工作温度范围可达到－40℃～80℃，但在实际应用中并不理想。因外界的温度因素的影响，致使加热元件产生的热量损耗过大不能正常地加热被测介质，或外界的温度过高影响介质的正常加热，此时表的指示偏高或超程无指示。根据我们的实际应用体会，认为该类型表工作在0℃～55℃是比较适合的。聚丙烯装置就出现过因低温导致的设备失灵的现象，在相应的敷设伴热管线和仪表保温箱后问题解决。

该类设备安装就位，调试投用后，只需要进行常规的运行检查和除尘清洁，无需特殊维护。

四、结语

热式质量流量计越来越多地应用于半导体工业外延扩散、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、燃气等流量测量和控制，以及固体气制冷中固体氩蒸发等累积量计量和阀门制造中的泄漏量测量等。在气体色谱仪和气体分析仪器等实验室仪器上，也得到了大量的应用，受到越来越多的专业人员的重视，具有广阔的发展前景。(end)