熱式氣體質量流量計原理及應用

薛建偉

摘 要：介紹了熱式氣體質量流量計的工作原理與特點，安裝的注意事項，同時分析了流量計在使用過程中經常出現的故障及處理方法。

關鍵詞：熱式氣體質量流量計；工作原理優點缺點；常見故障；處理方法；日常維護

熱式氣體質量流量計是利用傳熱原理檢測流量的儀表。20世紀60年代，美國首先為宇航業所需氣體質量控制開發出熱質流量計，其后應用于半導體工業的制造設備上，得到很大發展，后又擴展到其他工業應用領域。近年還在工業應用上從測量氣體擴大到測量液體。

一、熱質氣體質量流量計的工作原理

熱式氣體質量流量計是利用熱擴散原理測量氣體流量的儀表。傳感器由兩個基準級熱電阻（RTD）組成。一個是速度傳感器RH，一個是測量氣體溫度變化的溫度傳感器RMG。當這兩個RTD置于被測氣體中時，其中傳感器RH被加熱，另一個傳感器RMG用于感應被測氣體溫度。隨著氣體流速的增加，氣流帶走更多熱量，傳感器RH的溫度下降。

根據熱效應的金氏定律，加熱功率P、溫度差△T（TRH-TRMG）與質量流量Q有確定的數學關系式。 P/△T=K1+K2 f（Q）K3 K1、K2、K3是與氣體物理性質有關的常數。 熱式氣體質量流量計獨特的溫度差測量方式克服了采用恒溫差原理的熱式氣體質量流量計測量氣體流量時因氣體中含水、油和雜質而造成的很大的零點漂移，導致無法測量的弊端。

二、熱式氣體質量流量計的優缺點

（一）優點：1、精度高，不需溫壓補償。由測量原理可知，熱式氣體質量流量計直接測得的是流體（氣體）質量流量，不需溫壓補償，精度可達±1%FS，可以貿易結算；2、安裝、維護成本低。熱式氣體質量流量計結構簡單，一般不需維護，如果需要維護，可以實現在線不停產插拔維護；3、特別適合大管徑、低流速場合。插入式熱式質量流量計應用在大口徑管道性價比高；4、量程比大。熱式氣體質量流量計量程比可達100：1，熱式氣體質量流量計流量測量下限極低，幾乎從零開始測量，這是其它類型氣體流量計所無法比擬的；5、壓損小。熱式氣體流量計幾乎無壓力損失。

（二）缺點：1、在應用中，氣體夾雜液體會使儀表讀數偏大，當探頭上液體被吹干后，讀數恢復正常；2、如果氣體中含有粉塵和水汽，氣體溫度下降后，粉塵和水將會凝混在一起，污染探頭，影響熱量的傳遞，使測量結果偏低。3、在一些兩相流，多相流中，混合氣比重的變化，對測量值也會有影響。所以，熱式氣體質量流量計不適用介質中含大量的水份，介質組分不穩定，含雜質粉塵較多的場合。

三、熱式氣體質量流量計的安裝

（一）檢查傳感器和變送器序列號是否一致。（分體式儀表）

（二）輸入電源（直流或交流）的范圍及功率。

（三）4～20mA輸出回路是否有供電電源（非兩線制連接）。

（四）注意傳感器的溫度適用范圍，避免傳感器超溫度工作。注意在爐膛較近管道上安裝的表，避免停爐時回火，使傳感器超溫損壞。

（五）如采用金屬卡套式的過程連接，在設備調試前請勿將卡套鎖 緊。否則將影響調試后對傳感器插入深度的調整。

（六）在線式儀表安裝時，一定要保證儀表的整體結構完整，任何連接部位都不允許拆卸。

（七）安裝傳感器時注意使標有流向箭頭的小平面與過程介質流動的方向平行，并使流向箭頭指向過程介質流動方向。

（八）對水平管道側面安裝的傳感器，應保證加熱端處于參考端的上面。

（九）對于介質中可能含有水份的應用（如煤氣），建議傳感器采用斜向上45°的安裝方式。

（十）注意電氣接口的密封，防止有水和濕氣從電氣接口進入封裝內，導致線路部分腐蝕損壞。

四、常見故障及處理方法

（一）故障：流量波動大；處理方法：檢查流量計參數設置是否正確，檢查傳感器探頭是否被污染，如果傳感器可以帶壓插拔，可拔出傳感器探頭清洗。

（二）故障：流量計顯示滿量程；處理方法：首先應了解工藝流程是否變化，介質流量增加超出儀表測量范圍；檢查傳感器接線是否有誤，可能有一條或數條傳感或激勵導線松脫或短路，被加熱的RTD工參照的RTD斷路或短路；是否因工藝變化造成介質帶液，必要時可拆下傳感器探頭，確認探頭未被污染和帶液。

（三）故障：流量計測量值偏低；處理方法：檢查流量計傳感器RTD電阻及加熱器電阻是否正常；介質內是否的雜質固化在傳感器探頭上，拆下傳感器探頭清洗。

五、日常維護注意事項

（一）定期檢查電纜接線，確認連接的牢固性。

（二）確認就地和遠傳封裝的電子部分密封物完好無損，并確認有無濕氣進入封裝。

（三）定期檢查電氣接線是否受到腐蝕，電纜的絕緣性是否受到老化的影響。

（四）傳感器不能受過度污染，任何吸附物都能造成測量不準確。因此必要時進行定期清洗。

六、結束語

熱式流量計以結構簡單、可靠性好、成本較低等特點得到越來越多的應用，在可以預見的未來，熱式流量計在流量計中的使用比例會進一步提高。在小流量控制技術的發展進程中，熱式質量流量計的使用和發展是其重要的一部分。掌握好熱式質量流量計的故障處理方法，逐步琢磨流量計的日常維護及注意事項，才能提高小流量控制技術水平，確保石油化工裝置的穩定運行。