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【摘 要】 隨着技术的发展，热式质量流量计应用得越来越广，在此情况下，对热式气体质量流量计的应用与安装做一些分析，本文作出如下分析，仅供参考。
【关键词】 热式气体质量流量计;制造原理;应用;安装
一、前言
本文主要通过对热式质量流量计的介绍，通过绍质量流量计的原理、特点、应用范围，流量计的运行要求，阐述热式气体质量流量计的安装技术要求和应用注意事项。
二、热式质量流量计工作原理
热式气体质量流量仪表其制造原理有两种，第一种是在测量管上建立一个热分布场，当介质沿温度分布场流动时，热分布场便随之改变，依据其特点称为热传导分布式流量计，因热分布场的建立是在一个特制的管段上，也称为管段式;第二种是利用金氏定律制造的流量计，金氏定律描述了热消散（冷却）效应与流速、温度之间的关系，在制造结构上由于其检测部分插入所测管道内，因而称为浸入式。
2.1、基于热分布原理所制造的热式气体质量流量计
热分布式气体质量流量计的原理如下图1所示。
其结构及元件的作用如下：
（1）流量传感器：将绕组、电阻、检测元件集成一管段内构成传感器。
（2）绕组：检测与加热，与电阻一起组成电桥。
（3）测量管内壁;与被测流体直接接触。
（4）转换器：含恒流电流（5）和放大器（6），主要作用是提供加热电源并对电流信号检测与输出。
其工作过程为：恒流电源（5）一个恒定的电流，电流通过线圈时产生热量，热量通过线圈的绝缘层、测量管传导给所测量的流体的边界层，再通过边界层传导给测量管内和介质。当测量管内介质无流速时，其温度分布见测量管轴向温度分布中Q=0的虚线所示，在流体的上下两端处于一种对称分布状态，其对称线为测量管的中心线，在这种状态下电桥处于一种平衡的状态，其电流输出为零;如果测量管内有介质流动时（沿箭头方向），流体将部分热量由上游沿着箭头方向带给下游，从而改变了温度的分布（温度分部见测量管轴向温度分布中实线所示），温度改变导致检测电阻值的改变，电桥处于一种不平衡状态，产生电流输出，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，进而求得两组线圈平均温度差ΔT。便可按式（1）求出所测介质的质量流量qm。
（1）
式中 Cp——被测介质的定压比热容;
A——热传导系统（测量管与周围环境的热交换的传导系数）;
K——仪表常数。
其测量仪表所应用范围如图2
式（1）中热传导系数A的主要分为两部分，一部分为测量仪表本体部分（即由加热系统通过绝缘层、测量管传导部分），一部分为流体边界层传至流体内部分，当仪表制造完成后，其热量通过绝缘层、测量管壁时基本为一恒定值，因此A的变化可简化认为主要是流体边界层热导率的变化。当使用正常范围的流速时（Oa段），则A、Cp均视为常量，则流量仅与绕组平均温度差成正比，此时测量范围为仪表的正常范围，流体带走的热量极小或者带不走流量;当流体流速大于a点时，由于流量带走了热时较大，这种状态流量与绕组温度便不再是线性关系，而流量大于b点时此时测量管内的热量大量被流体带走，其温度下降。
2.2基于热消散效应的浸入型气体质量流量计
根据金氏定律得到热丝的热散失率与各参量间关系如式2所示。
（2）
其中 H/L-------一定长度的热散失率，J/m·h
ΔT--------，流体的平均升高温度与热丝的温差，K
λ--------流体的热导率，J/h·m·K
Cv---------定容比热容，J/kg·k
ρ---------密度，kg/m3
U---------流体的流速，m/h
d--------热丝直径，m
如图3所示，两圆柱型温度传感器（热电阻）分别放于所测介质气流管内，其中一传感器（热电阻）内含加热器，加热器加载恒定功率，其内含热电阻测得被流体带走热量一端的温度Tv;另一传感器测量上游介质所带来的温度，当气体流速为零时，流体不带走任何热量，在这种状态下Tv最高，随着流速的增大，气流将加热端热量带走，此时加热端的温度下降，两传感器测得一个温度差ΔT=Tv-T，再根据金氏定律转换为质量流量，根据上原理测量质量流量的方法称作“温度测量法”或“温度差测量法”。也可以采用随流速增加而加大加热功率保持其温度差恒定的办法，此法称为功率消耗法。
三、热式气体质量流量计的特点
热式质量气体流量计相对于其它流量的计有着很大的特点，主要体现如下：
（1）优点：无须温压补偿、没有可动部件压损小、量程比宽、精度高、可靠性高、安装简单、操作方便。相对于差压式流量计而言无须导压回路的连接;相对等转动式流量计可克服其停转、滞转及计量精度差等缺陷。
（2）缺点：响应速度慢、对于混合气体成份变化较大的场合误差较大，测量小流量时会给气体带来一定的热量、同时相对其它流量计而言造价高。
四、热式气体质量流量计的应用范围
热式气体流量计的工作原理和特点决定流量计一般用于较为干燥的气体中，在含有湿气的气体中由于湿气对热效应的影响，易产生误差。在低流速（流速为0.02～2m/s）微小流量、小管径的情况下一般使用热分布式;而在低、中、高的流速中（流速为2～60m/s）或大管径的气体测量中更多的采用插入式流量计气体质量流量计。
由于热式气体流量的响应速度较慢，适合用于测量回路，不适用于控制回路，但随着热式气体流量计的发展，其响应速度越来越快，将来可能用于到控制回路中。 根据以上特点，可用于氧气、氮气、氩气、煤气、空气等干燥气体的计量。如在港陆钢铁有限公司2#120T转炉安装中其进入连铸主管的氧气、氮气中就使用了插入式气体质量流量计，而在炉后吹氩中其氩气的测量就采用了热分布式气体质量流量计，取得了较好的效果。
五、热式气体质量流量计的安装要求
5.1安装位置及直管段要求
（1）热分布式：可以在作何平直管段上安装（水平、垂直或倾斜）安装，流量计对直管段的长度的要求主要存在两种观点，一种认为不受旋转流和流速场的影响，所以对直管段无要求。另一种认为其直管段长度的要求可小至2D。综合两种观点可以看出其对直管段的要求并不高。
（2）浸入式（插入式）：大部分插入式性能与安装位置及姿势无关。在低流速情况下气体会产生对流，从而改变其热流，但如果使用在低流速气体测量时，管道内气体对流会改变其热流，在此种情况下安装位置及姿势不对会影响仪表测量的性能。因而在低流速的气体安装中，必须按制造厂所给出的安装要求进行安装。对直管段要求，目前也存在两种情况两种认识：一种认为以仪表设计结构所要求的，而是按制造厂建议的值。而一种认为在管道中用插入热丝流速计时，流量计直管段的要求为前为（8～10）D后为（3～5）D，D为管道内径。而目前仪表设计制造出比第二种要求更小的值，而在随机文件中都会根据自身仪表设计结构给出这个值。综上述两种观点可以看出，安装过程中要以厂商技术文件的要求进行。
5.2、安装方向：
（1）安装时流体的流动方向要传感器上标识的流向相一致。
5.3、其它要求
1）安装前，用无残留的有机溶剂对仪表进行清理，清理部位主要是传感器与测量介质的接触表面。如果传感器有接线盒，应保证接线盒的密封。
2）传感器安装前要对其进行通电检查，检查测量是否正常。
检查方法：按照传感器要求正确接线，将流量输出信号接至电流表，用气流对着探头轻轻吹一下，观察电流表的输出变化。
3）在温度变化很大的场合或过度潮湿的场合及有大量热源散发的场合不宜安装。同时传感器安装场合确定时要注意：一是要方便传感器的拆卸检查，二是要方便其接线与试验。
六、结束语
经过本文的介绍使大家對热式气体流量计的原理、特点、安装要求及安装方法有所熟悉。随着热式气体流量计的响应速度越来越快，成本的降低加上其安装简单、维修量小、测量准确，平稳，具有较好的可靠性等优点，应用将会越来越广泛。
参考文献：
流量测量技术全书.王池、王自和、张宝珠、孙淮清编著.化学工业出版社
流量测量和控制实用手册.周人、何衍庆编著.化学工业出版社
【关键词】 热式气体质量流量计;制造原理;应用;安装
一、前言
本文主要通过对热式质量流量计的介绍，通过绍质量流量计的原理、特点、应用范围，流量计的运行要求，阐述热式气体质量流量计的安装技术要求和应用注意事项。
二、热式质量流量计工作原理
热式气体质量流量仪表其制造原理有两种，第一种是在测量管上建立一个热分布场，当介质沿温度分布场流动时，热分布场便随之改变，依据其特点称为热传导分布式流量计，因热分布场的建立是在一个特制的管段上，也称为管段式;第二种是利用金氏定律制造的流量计，金氏定律描述了热消散（冷却）效应与流速、温度之间的关系，在制造结构上由于其检测部分插入所测管道内，因而称为浸入式。
2.1、基于热分布原理所制造的热式气体质量流量计
热分布式气体质量流量计的原理如下图1所示。
其结构及元件的作用如下：
（1）流量传感器：将绕组、电阻、检测元件集成一管段内构成传感器。
（2）绕组：检测与加热，与电阻一起组成电桥。
（3）测量管内壁;与被测流体直接接触。
（4）转换器：含恒流电流（5）和放大器（6），主要作用是提供加热电源并对电流信号检测与输出。
其工作过程为：恒流电源（5）一个恒定的电流，电流通过线圈时产生热量，热量通过线圈的绝缘层、测量管传导给所测量的流体的边界层，再通过边界层传导给测量管内和介质。当测量管内介质无流速时，其温度分布见测量管轴向温度分布中Q=0的虚线所示，在流体的上下两端处于一种对称分布状态，其对称线为测量管的中心线，在这种状态下电桥处于一种平衡的状态，其电流输出为零;如果测量管内有介质流动时（沿箭头方向），流体将部分热量由上游沿着箭头方向带给下游，从而改变了温度的分布（温度分部见测量管轴向温度分布中实线所示），温度改变导致检测电阻值的改变，电桥处于一种不平衡状态，产生电流输出，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，进而求得两组线圈平均温度差ΔT。便可按式（1）求出所测介质的质量流量qm。
（1）
式中 Cp——被测介质的定压比热容;
A——热传导系统（测量管与周围环境的热交换的传导系数）;
K——仪表常数。
其测量仪表所应用范围如图2
式（1）中热传导系数A的主要分为两部分，一部分为测量仪表本体部分（即由加热系统通过绝缘层、测量管传导部分），一部分为流体边界层传至流体内部分，当仪表制造完成后，其热量通过绝缘层、测量管壁时基本为一恒定值，因此A的变化可简化认为主要是流体边界层热导率的变化。当使用正常范围的流速时（Oa段），则A、Cp均视为常量，则流量仅与绕组平均温度差成正比，此时测量范围为仪表的正常范围，流体带走的热量极小或者带不走流量;当流体流速大于a点时，由于流量带走了热时较大，这种状态流量与绕组温度便不再是线性关系，而流量大于b点时此时测量管内的热量大量被流体带走，其温度下降。
2.2基于热消散效应的浸入型气体质量流量计
根据金氏定律得到热丝的热散失率与各参量间关系如式2所示。
（2）
其中 H/L-------一定长度的热散失率，J/m·h
ΔT--------，流体的平均升高温度与热丝的温差，K
λ--------流体的热导率，J/h·m·K
Cv---------定容比热容，J/kg·k
ρ---------密度，kg/m3
U---------流体的流速，m/h
d--------热丝直径，m
如图3所示，两圆柱型温度传感器（热电阻）分别放于所测介质气流管内，其中一传感器（热电阻）内含加热器，加热器加载恒定功率，其内含热电阻测得被流体带走热量一端的温度Tv;另一传感器测量上游介质所带来的温度，当气体流速为零时，流体不带走任何热量，在这种状态下Tv最高，随着流速的增大，气流将加热端热量带走，此时加热端的温度下降，两传感器测得一个温度差ΔT=Tv-T，再根据金氏定律转换为质量流量，根据上原理测量质量流量的方法称作“温度测量法”或“温度差测量法”。也可以采用随流速增加而加大加热功率保持其温度差恒定的办法，此法称为功率消耗法。
三、热式气体质量流量计的特点
热式质量气体流量计相对于其它流量的计有着很大的特点，主要体现如下：
（1）优点：无须温压补偿、没有可动部件压损小、量程比宽、精度高、可靠性高、安装简单、操作方便。相对于差压式流量计而言无须导压回路的连接;相对等转动式流量计可克服其停转、滞转及计量精度差等缺陷。
（2）缺点：响应速度慢、对于混合气体成份变化较大的场合误差较大，测量小流量时会给气体带来一定的热量、同时相对其它流量计而言造价高。
四、热式气体质量流量计的应用范围
热式气体流量计的工作原理和特点决定流量计一般用于较为干燥的气体中，在含有湿气的气体中由于湿气对热效应的影响，易产生误差。在低流速（流速为0.02～2m/s）微小流量、小管径的情况下一般使用热分布式;而在低、中、高的流速中（流速为2～60m/s）或大管径的气体测量中更多的采用插入式流量计气体质量流量计。
由于热式气体流量的响应速度较慢，适合用于测量回路，不适用于控制回路，但随着热式气体流量计的发展，其响应速度越来越快，将来可能用于到控制回路中。 根据以上特点，可用于氧气、氮气、氩气、煤气、空气等干燥气体的计量。如在港陆钢铁有限公司2#120T转炉安装中其进入连铸主管的氧气、氮气中就使用了插入式气体质量流量计，而在炉后吹氩中其氩气的测量就采用了热分布式气体质量流量计，取得了较好的效果。
五、热式气体质量流量计的安装要求
5.1安装位置及直管段要求
（1）热分布式：可以在作何平直管段上安装（水平、垂直或倾斜）安装，流量计对直管段的长度的要求主要存在两种观点，一种认为不受旋转流和流速场的影响，所以对直管段无要求。另一种认为其直管段长度的要求可小至2D。综合两种观点可以看出其对直管段的要求并不高。
（2）浸入式（插入式）：大部分插入式性能与安装位置及姿势无关。在低流速情况下气体会产生对流，从而改变其热流，但如果使用在低流速气体测量时，管道内气体对流会改变其热流，在此种情况下安装位置及姿势不对会影响仪表测量的性能。因而在低流速的气体安装中，必须按制造厂所给出的安装要求进行安装。对直管段要求，目前也存在两种情况两种认识：一种认为以仪表设计结构所要求的，而是按制造厂建议的值。而一种认为在管道中用插入热丝流速计时，流量计直管段的要求为前为（8～10）D后为（3～5）D，D为管道内径。而目前仪表设计制造出比第二种要求更小的值，而在随机文件中都会根据自身仪表设计结构给出这个值。综上述两种观点可以看出，安装过程中要以厂商技术文件的要求进行。
5.2、安装方向：
（1）安装时流体的流动方向要传感器上标识的流向相一致。
5.3、其它要求
1）安装前，用无残留的有机溶剂对仪表进行清理，清理部位主要是传感器与测量介质的接触表面。如果传感器有接线盒，应保证接线盒的密封。
2）传感器安装前要对其进行通电检查，检查测量是否正常。
检查方法：按照传感器要求正确接线，将流量输出信号接至电流表，用气流对着探头轻轻吹一下，观察电流表的输出变化。
3）在温度变化很大的场合或过度潮湿的场合及有大量热源散发的场合不宜安装。同时传感器安装场合确定时要注意：一是要方便传感器的拆卸检查，二是要方便其接线与试验。
六、结束语
经过本文的介绍使大家對热式气体流量计的原理、特点、安装要求及安装方法有所熟悉。随着热式气体流量计的响应速度越来越快，成本的降低加上其安装简单、维修量小、测量准确，平稳，具有较好的可靠性等优点，应用将会越来越广泛。
参考文献：
流量测量技术全书.王池、王自和、张宝珠、孙淮清编著.化学工业出版社
流量测量和控制实用手册.周人、何衍庆编著.化学工业出版社