熱式質量流量計在化工行業中的應用

　　
　　一、引言
　　量熱式氣體質量流量計于單一組分的氣體或固定比例的混合氣體測量，目前已廣泛應用于石油、化工、半導體、醫療儀器、生物工程、燃燒控制、配氣、環境監測、精密儀器、科研、計量、食品、冶金、航天航空等領域。
　　量熱式質量流量計用于精密測量和自動控制氣體的質量流量。采用標準輸入輸出信號，可實現計算機集中控制。在大慶石化公司就有多種形式的應用，比如聚丙烯裝置氫氣流量表FT-121A/B采用的是BROOKS量熱流量計，量程為1.45Kg/H和9.5Kg/H。
　　與傳統的流量計相比，它不需配置溫度、壓力變送器，不用進行溫度、壓力的補償就能直接測量質量流量（在標準狀態下，0℃，101.325KPa）。
　　當氣體作為生產過程中的控制變量時（例如燃燒、化學反應、通風排氣、產品烘干等），使用質量流量控制器直接測量，可控制氣體的克分子數量。
　　如果要保持定量的氣體混合作為混料或配料，或者要優化化學反應過程，到目前為止還沒有比使用質量流量控制器更好的技術。質量流量控制器連續可調控制流量，通過顯示儀還可獲得累積流量。
　　熱式質量流量計還是管道系統、閥門類密封性檢測的較好儀器，它直接顯示漏氣量。質量流量計性能價格比高，易于安裝，操作簡便，使用質量流量計和質量流量控制器產品是zui合理的選擇之一。
　　由于此類質量流量計的傳感器是熱式原理，如果氣體不是干燥的氣體，將影響傳熱效率，從而影響傳感器的輸出信號和測量精度。
　　二、基本原理
　　熱式質量流量計根據熱源及測溫方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種。
　　1．接觸式熱式質量流量計
　　這種質量流量計的加熱元件和測溫元件都置于被測流體的管道內，與流體直接接觸，常被稱為托馬斯流量計，適于測量氣體的較大質量流量.其結構原理如圖1所示。由于加熱及測量元件與被測流體直接接觸，因此元件易受流體腐蝕和磨損，影響儀表的測量靈敏度和使用壽命。測量高流速、有腐蝕性的流體時不宜選用，這是接觸式的缺點。
　　圖1:接觸式熱式質量流量計結構原理
　　l、3—熱電偶；2一加熱器；4一功率表
　　2．非接觸式熱式質量流量計
　　這種流量計的加熱及測溫元件都置于流體管道外，與被測流體不直接接觸，克服了接觸式的缺點。熱式微流量型（是非接觸式質量流量計的典型結構）如圖2所示。儀表的測量導管，為薄壁小口徑鎳管，鎳管外部兩側纏繞鉑電阻絲3、5作為測溫線圈，并作為測量電橋的兩臂R1、R2。兩測溫線圈的中間纏繞著錳銅絲加圈4，作為儀表的加熱器。當流體靜止時，由于測溫線圈對稱地安裝在加熱器兩側且阻值相等（各100左右），因此測量電橋處于平衡狀態。但當流體在鎳管中流經測溫電阻時，就破壞了加熱器的溫度場，兩測溫線圈處于不同的溫度場內，因而引起電阻值發生變化。兩測溫線圈阻值不等，破壞了電橋的平衡。根據電橋平衡原理，由檢流計8測得電阻值的變化,即可求得質量流量M。
　　非接觸式熱式質量流量計
　　1—測量導管;2—等溫外殼;3—測溫線圈;4—加圈
　　7—調零電阻;8—檢流計
　　熱式微流量計適用于測量液體和氣體的微小質量流量。可測0--100cm3／h的微小液體流量和l0L／h左右的微小氣體流量。
　　為了使結構簡化，有些產品取消了加熱器，只用兩只測量電阻，既作加熱元件又作為測溫元件。這種設計，由于熱慣性的原因，儀表反映速度比較小，靈敏度較低;被測流體溫度變化影響儀表指示的準確度。
　　為了提高非接觸熱式質量流量計的流量測量范圍，設計了一種邊界層質量流量計，它利用測量流體靠近管壁的邊界層的熱傳導來反映流量的大小．用這種方式測量流量，一般是利用控制管外壁的加熱器給出的熱量來保持邊界層內外溫差恒定，然后根據熱源測量反映出質量流量。
　　熱式質量流量計目前發展較快的有：質量流量計、邊界層質量流量計、分流式熱毛細管質量流量計以及用IC基板技術的熱式質量流量計等。
　　三、實際應用與維護
　　我廠聚烯烴裝置中因為控制樹脂分子量需要調節氫氣、氧氣等的注入量，而采用了4臺熱式微質量流量計。根據熱式微質量流量計這幾年運行的實際情況，對其可靠性、度作如下分析：
　　（一）可靠性
　　1.平均故障間隔時間（MTBF）
　　采用平均故障間隔時間（MTBF）來衡量設備的可靠性。此處的故障指已出現明顯的顯示錯誤，超出儀表的精度要求。由于單臺設備沒有出現過兩次故障現象，這里可以把整體假定為1臺儀表在4倍的時間里運行，出現過一次故障。
　　MTBF=工作時間/故障次數
　　=4×6×365×24/1
　　≈2.1×105（h）
　　2.平均修復時間（MTTR）
　　以位號FT-201A微流量計為例：因為傳感器內部檢測元件出現問題，返回廠家修理、標定，歷時2個月。由此可知，熱式微質量流量計的平均修復時間受外部因素的影響比較大。
　　（二）精度
　　所有熱式微質量流量計在工作一段時間后的測量誤差做實際對照，流量測量值與標準標定讀數的zui大誤差均不大于1%，則從實際儀表測量值與標定、情況看，它已滿足生產需要。
　　（三）設備維護
　　我廠處于高寒地區，對應用設備的耐低溫特性要求極為嚴格。盡管有一些熱式微質量流量計標稱的工作溫度范圍可達到－40℃～80℃，但在實際應用中并不理想。因外界的溫度因素的影響，致使加熱元件產生的熱量損耗過大不能正常地加熱被測介質，或外界的溫度過高影響介質的正常加熱，此時表的指示偏高或超程無指示。根據我們的實際應用體會，認為該類型表工作在0℃～55℃是比較適合的。聚丙烯裝置就出現過因低溫導致的設備失靈的現象，在相應的敷設伴熱管線和儀表保溫箱后問題解決。
　　該類設備安裝就位，調試投用后，只需要進行常規的運行檢查和除塵清潔，無需特殊維護。
　　四、結語
　　熱式質量流量計越來越多地應用于半導體工業外延擴散、石油化工微型反應裝置、鍍膜工藝、光導纖維制造、熱處理淬火爐等各種場所的氫、氧、氨、燃氣等流量測量和控制，以及固體氣制冷中固體氬蒸發等累積量計量和閥門制造中的泄漏量測量等。在氣體色譜儀和氣體分析儀器等實驗室儀器上，也得到了大量的應用，受到越來越多的專業人員的重視，具有廣闊的發展前景。