热式质量流量计

1 前言
　　安钢烧结厂105㎡烧结机所使用的SJ1000m/h的主抽风机至120m大烟道有一段直径为4m的除尘管道，这一段除尘管道的废气流量一直是悬在几代烧结人头上的难题。如何检测大管径管道的废气流量？以前工程技术人员一般选用孔板式差压流量计，但经过多年使用这种流量计的缺点就凸现出来。由于除尘管道流量计管径庞大，加之维修校验不便，在管道中200米高的大烟筒巨大的抽力对孔板的表面产生一定的磨损，孔板管道内就有了腐蚀，肮脏微粒物进入等多种因素导致孔板流量计不准或损坏。
　　大管径废气流量的检测特点：①管径庞大，通常DN1000mm～DN6000mm，这就给检测此流量的仪表维修和标定带来了相当的困难，一般检测或清洗探头要兴师动众，耗费大量的人力物力；②压力低流速低，一般出口压力在10～60kPa，流速为1.5～6m/s，选用那样的检测仪表要压损小，流量的雷诺数低。③介质脏，液体中含有大量的灰分和腐蚀物，容易污染流量计的传感器部分。
　　针对上述特点，我们在反复试验的基础之上采用了比较先进的大管径插入式热式气体质量流量计来检测大管径废气流量。
　　2 热式质量流量计的历史和发展
　　热式质量流量计是利用加热时液体温度上升某一值所需的能量与液体质量之间的关系来测量液体或气体质量的一种流量仪表。一般用来测量煤气等气体的质量流量。它具有压损小，流量范围度大，高精度，高重复性，高可靠性，体积小，易维护不易损坏等特点。早期的热式质量流量计直接将加圈和测温元件放入液体中与液体接触，是一种接触式流量计，由于现场环境中普遍存在腐蚀、磨损及防爆问题，使它的工业应用受到了很大的限制。到20世纪50年代，人们又提出了与液体不接触的边界层流量计，它克服了接触式流量计的缺点，但测量结果受介质参数（如热导率，比率，粘度）以及环境的震动等的影响；到20世纪70年代，基于测量液体温度分布的热分布型TMF，由于其*的优点在国内备受青睐，可它有一种致命的缺点，即只检测微小流量，仅仅适用于小管径测量，大管径液体测量它就束手无策，正是在这些流量计的基础之上，人们又设计了一种插入式TMF，它在国内得到了迅猛的发展，可以用来测量大管径的气体流量。
　　3 大管径插入式热式气体质量流量计工作原理
　　多点平均矩阵式670S质量流量计使用不锈钢传感探头，因此就增加了其准确性、坚固性、可靠性。它有两个探头伸入到被测气体中，一个速度传感器用来检测质量pu，一个自动修正温度变化的温度传感器用来检测气体温度T，这两个探头使用参考级甘温元件———铂热电阻。热电阻的稳定性，重复性符合NIST标准。现代工业用的插入式TMF用标准级铂热电阻（RTD）的铂丝缠绕在一套磁芯棒上插入到一个坚固的不锈钢套筒中，速度传感器RTD的电阻比温度传感器RTD 的电阻小得多，并由电子设备供电产生热量。插入式TMF的工作原理基于热力学*定律，即电子设备提供给速度传感器的电功率等于流动的气体对流换热所带走的热量（见图1）。
　　多点距阵排列插入式TMF，在传感器延长度方向设置有4～16个不等的质量流速探头，用来测量大管径的总质量流量。多点插入型传感器设置划分为n个等面积环，在每个等面积环的质心设置一个热式质量流速。
　　4 电子设备供电电路
　　TMF系列有两个传感器，一个是速度传感器，一个是温度传感器。测量时，传感探头插入流体中，感受流体的流速和温度。它们同时是电子组件桥路的两上桥臂，形成一个不平衡电桥。通电时，桥臂电流将速度传感器加热到高于温度T一个温差△T的Tu，T-Tu=△T。不平衡电桥就变成平衡电桥。此时电桥便输出一个对应零流量的电压，经放大电路处理，输出流量计的下限信号4mA；瞬时流量显示为000；且累积流量无累积动作发生，累积显示保持着原来的累积数字不变。当流体流经加热的速度传感器时，根据热传导原理，将会带
走速度传感器的一部分热量，使其温度下降，而且流量越大，带走的热量越多，其温度T1下降也越大，电桥又变成一个不平衡电桥。由于桥路的反馈控制作用，总要回到平衡电桥状态。为此，电桥必须在速度传感器上流过与流量大小成正比的电流，使速度传感器回到平衡状态时的温度Tu。这时桥路便输出一个正比于流量大小的电压信号。经电路放大、线性化处理，使输出与流量成正比的4～20mA之间的一个电流信号、瞬时流量显示为直到zui大刻度流量的一个值、累积动作将以与瞬时流量成正比的速度进行累积。
　　按上所述，设速度传感器的加热功率为P，速度传感器与流体的温差为△T，T1-T2=△T。流体的质量流速为pv。根据L-V．King定理，即流体流经加热的速度传感器时所带走的热量Q，与对速度传感器加热到温度T的电功率P相等。由于桥路的反馈控制作用T1-T2=△T为一恒定的常数。所以桥路的输出（决定流量计输出的量）与流体的质量流速pv成单值函数关系。特别要指出的是，由于速度传感器的热量是被流体中的分子所带走的，所以速度传感器测量的是流体的质量流速pv。因此只要乘以流体管道的截面积s，便可得到流体的质量流量。
　　插入式TMF有诸多优点：①有坚固的结构，适用于煤气区域和工业应用。②测量范围大。③准确度重复性好。④响应时间快速。⑤可测含中等固体颗粒的气体。
　　5 大管径流量仪表的比较
　　插入式TMF、孔板式差压流量计两者均能检测大管径流量，我们可以作一比较，由表1中明显看出大管径插入式热式气体质量流量计在各项性能指标有很大的优势，因此它是差压式流量计的替代品。气体流量计根据具体的环境情况的安装见表2。
6 结束语
　  在烧结生产中，现在很多地方已经使用了质量流量计，比如点火炉的空气流量和煤气流量，这些位置较高和不安全的地方，质量流量计已发挥了巨大的作用。从使用热式气体质量流量计检测废气流量的效果来看，它测量准确，平稳，维修量小。具有较好的可靠性和经济性，因此它在冶金行业受到了普遍的欢迎。