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摘 要：本文主要介紹了大管徑插入式HKTMF熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn)、工作原理及安裝和使用。本文對(duì)大管徑插入式HKTMF熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)與孔板式差壓流量計(jì)的性能指標(biāo)也作了詳細(xì)的比較。

關(guān)鍵字：大管徑 速度傳感器 質(zhì)量流量計(jì) 孔板式差壓流量計(jì)

      1 前言

      安鋼燒結(jié)廠105m²燒結(jié)機(jī)所使用的75萬m³/h的主抽風(fēng)機(jī)至120m大煙道有一段直徑為4m的除塵管道，除塵管道的廢氣流量測(cè)量一直是個(gè)難題。檢測(cè)大管徑管道的廢氣流量，一般選用孔板式差壓流量計(jì)，但經(jīng)過多年使用這種流量計(jì)的缺點(diǎn)就凸現(xiàn)出來。由于除塵管道流量計(jì)管徑龐大，加之維修校驗(yàn)不便，在管道中200m高的大煙筒巨大的抽力對(duì)孔板的表面產(chǎn)生一定的磨損，孔板管道內(nèi)有腐蝕，骯臟或微粒物進(jìn)入等多種因素導(dǎo)致孔板流量計(jì)不準(zhǔn)或損壞。大管徑廢氣流量的檢測(cè)特點(diǎn)：

      （1）管徑龐大，通常為DN1000mm~DN6000mm，給檢測(cè)此流量的儀表維修和標(biāo)定帶來了相當(dāng)?shù)睦щy，一般檢測(cè)或清洗探頭要耗費(fèi)大量的人力物力；
      （2）壓力和流速低，一般出口壓力在10~60kPa，流速為1.5~6m/s，選用的檢測(cè)儀表要壓損小、流量的雷諾數(shù)低。
      （3）介質(zhì)臟，液體中含有大量的灰分和腐蝕物，容易污染流量計(jì)的傳感器。

      針對(duì)上述特點(diǎn)，我們?cè)诜磸?fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用了比較的大管徑插入式HKTMF熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)來檢測(cè)大管徑廢氣流量。

      2 熱式質(zhì)量流量計(jì)

      熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用加熱時(shí)液體溫度上升至某一值所需的能量與液體質(zhì)量之間的關(guān)系來測(cè)量液體或氣體質(zhì)量的一種流量?jī)x表。一般用來測(cè)量煤氣等氣體質(zhì)量的流量。它具有壓損小、流量范圍度大、高精度、高重復(fù)性、高可靠性、體積小、易維護(hù)不易損壞等特點(diǎn)。

      早期的熱式質(zhì)量流量計(jì)直接將加熱線圈和測(cè)溫元件放入液體中與液體接觸，是一種接觸式流量計(jì)，由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中普遍存在腐蝕、磨損及防爆問題，使它在工業(yè)應(yīng)用中受到很大限制。到20世紀(jì)50年代，人們又提出了不接觸液體的邊界層流量計(jì)，克服了接觸式流量計(jì)的缺點(diǎn)，但測(cè)量結(jié)果受介質(zhì)參數(shù)（如熱導(dǎo)率、比率、粘度）以及環(huán)境的震動(dòng)等因素的影響；到20世紀(jì)70年代，基于測(cè)量液體溫度分布的熱分布型TMF，優(yōu)點(diǎn)很多，但只適用于小管徑測(cè)量。此后，人們又設(shè)計(jì)一種插入式TMF，它在國(guó)內(nèi)得了迅猛的發(fā)展，可以用來測(cè)量大管徑的氣體流量。

      3 結(jié)構(gòu)及工作原理

      多點(diǎn)平均矩陣式670S質(zhì)量流量計(jì)使用不銹鋼傳感探頭，增加了準(zhǔn)確性、堅(jiān)固性和可靠性。它有兩個(gè)探頭伸入到被測(cè)氣體中，一個(gè)速度傳感器用來檢測(cè)質(zhì)量，一個(gè)自動(dòng)修正溫度變化的溫度傳感器用來檢測(cè)氣體溫度，這兩個(gè)探頭使用參考級(jí)感溫元件—鉑熱電阻。

      插入式TMF用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)鉑熱電阻（RTD）的鉑絲纏繞在一套磁芯棒上插入到一個(gè)堅(jiān)固的不銹鋼套筒中，速度傳感器RTD的電阻比溫度傳感器RTD的電阻小得多，并由電子設(shè)備供電產(chǎn)生熱量。插入式TMF的工作原理基于熱力學(xué)定律，即電子設(shè)備提供給速度傳感器的電功率等于流動(dòng)的氣體對(duì)流換熱所帶走的熱量。

                  （1）

      式中：h  為傳熱系數(shù)；
               T_u 為速度傳感器的溫度；
               A_s 為圓柱形探頭表面積；
               T  為溫度傳感器測(cè)得的氣體溫度。

      參與速度傳感器周圍的熱邊界層換熱的是流動(dòng)的氣體分子。因此插入型TMF傳感器檢測(cè)到的是流體的質(zhì)量和流量：

      hA_s=a₁+a₂（ρ_u）^m                             （2）

      a₁，a₂，m均為經(jīng)驗(yàn)確定的系數(shù)，他們由被測(cè)氣體的傳熱系數(shù)、粘度等系數(shù)決定。

                        （3）

      多點(diǎn)距陣排列插入式TMF，在傳感器沿長(zhǎng)度方向設(shè)置有4~16個(gè)不等的質(zhì)量流速探頭，用來測(cè)量大管徑的總質(zhì)量流量。多點(diǎn)插入型傳感器設(shè)置劃分為n個(gè)等面積環(huán)，在每個(gè)等面積環(huán)的質(zhì)心設(shè)置一個(gè)熱式質(zhì)量流速探頭。

      4 供電電路

      TMF系列有兩個(gè)傳感器，一個(gè)是速度傳感器，一個(gè)是溫度傳感器。測(cè)量時(shí)，傳感探頭插入流體中，感受流體的流速和溫度。它們同時(shí)是電子組件橋路的兩個(gè)橋臂，形成一個(gè)不平衡電橋。

      通電時(shí)，橋臂電流將速度傳感器加熱到高于溫度T一個(gè)溫差△T的T_u，T-T_u=△T。不平衡電橋就變成平衡電橋。此時(shí)電橋便輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)零流量的電壓，經(jīng)放大電路處理，輸出流量計(jì)的下限信號(hào)為4mA；瞬時(shí)流量顯示為000；且累積流量無累積動(dòng)作發(fā)生，累積顯示保持原來的累積數(shù)字不變。

      當(dāng)流體流經(jīng)加熱的速度傳感器時(shí)，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，將會(huì)帶走速度傳感器的一部分熱量，使其溫度下降，而且流量越大，帶走的熱量越多，其溫度T₁下降也越大，電橋又變成一個(gè)不平衡電橋。由于橋路的反饋控制作用，總要回到平衡電橋狀態(tài)。為此，電橋必須在速度傳感器上流過與流量大小成正比的電流，使速度傳感器回到平衡狀態(tài)時(shí)的溫度T_u。這時(shí)橋路便輸出一個(gè)正比于流量大小的電壓信號(hào)。經(jīng)電路放大、線性化處理，使輸出與流量成正比的4~20mA之間的一個(gè)電流信號(hào)、瞬時(shí)流量顯示為直到刻度流量的一個(gè)值，累積動(dòng)作將以與瞬時(shí)流量成正比的速度進(jìn)行累積。

      如上所述，設(shè)速度傳感器的加熱功率為P，速度傳感器與流體的溫差為△T，T₁- T₂ =△T。流體的質(zhì)量流速為Pv。根據(jù)L-V.King定理，即流體流經(jīng)加熱的速度傳感器時(shí)所帶走的熱量Q，與對(duì)速度傳感器加熱到溫度T的電功率P相等。由于橋路的反饋控制作用T₁- T₂=△T為一恒定的常數(shù)。所以橋路的輸出（決定流量計(jì)輸出的量）與流體的質(zhì)量流速P_v成單值函數(shù)關(guān)系。特別要指出的是，由于速度傳感器的熱量是被流體中的分子所帶走的，所以速度傳感器測(cè)量的是流體的質(zhì)量流速P_v。因此只要乘以流體管道的截面積s，便可得到流體的質(zhì)量流量。

      插入式TMF有諸多優(yōu)點(diǎn)：堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，適用于煤氣區(qū)域等工業(yè)應(yīng)用；測(cè)量范圍大；準(zhǔn)確度重復(fù)性好；響應(yīng)時(shí)間快；可測(cè)量含中等固體顆粒的氣體。

      5 大管徑流量?jī)x表的比較

      插入式TMF、孔板式差壓流量計(jì)兩者均能檢測(cè)大管徑流量，我們可以作一比較，由表1中明顯看出大管徑插人式HKTMF熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在各項(xiàng)性能指標(biāo)中有很大的優(yōu)勢(shì)，因此它是差壓式流量計(jì)的替代品。

      表1 插入式TMF與其他流量計(jì)的性能比較

      6 結(jié)論

      在燒結(jié)生產(chǎn)中，很多地方已經(jīng)使用了質(zhì)量流量計(jì)，比如點(diǎn)火爐的空氣流量和煤氣流量，在這些位置較高和不安全的地方，質(zhì)量流量計(jì)已發(fā)揮了巨大的作用。從使用HKTMF熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)檢測(cè)廢氣流量的效果來看，它測(cè)量準(zhǔn)確、平穩(wěn)、維修量小，具有較好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此它在冶金行業(yè)受到了普遍的歡迎。