熱式氣體流量計的研究與應用

李學明

（國家電投北票發電有限公司，遼寧 北票 122100）

熱式氣體流量計是一種可以直接測量氣體質量流量的流量計，其具有高重復性、高可靠性、高穩定性和高精度，在測量現場靈敏度高，尤其適用于大管徑、低流速的測量。由于熱式氣體質量流量計具有壓損非常小、機械結構多樣、安裝靈活、使用方便諸多優點，被廣泛應用于現場氣體的流量測量。依據《JJG1132-2017熱式氣體質量流量計》檢定規程，對首次檢定、后續檢定和使用中檢定做了明確的技術要求[1]。

1 測量原理

熱式氣體質量流量計探頭有兩個傳感器，其中一個溫度傳感器測量管道內氣體介質的溫度，另一個為介質速度傳感器，通過電加熱作用將速度傳感器的溫度加熱至高于溫度傳感器測量得到的溫度，并且保持兩個傳感器溫差的恒定。當氣體介質流動帶走速度傳感器上的熱量時，表頭上的電橋電路為保持兩個傳感器的溫差恒定，速度傳感器需要額外進行電補償加熱，這個補償的加熱功率大小和氣體介質的質量流量成正比。在實際應用中，測溫傳感器通常應用Pt1000或者Pt300，測速傳感器一般使用Pt20。由于在t℃時，兩種傳感器的電阻變化幅度并不相同，這樣就造成電橋的不平衡，導致電橋連接比較器輸入端的電壓不同，從而觸發新的加熱動作[2]。

其中，qm熱式氣體質量流量計瞬時流量值，kg/s；K是流量計出廠標定的修正系數值；ΔP熱式流量計電橋加熱功率，kJ/s；Cp測量氣體介質的定壓比熱容，kJ/(kg.℃)；Δt熱式流量計兩個傳感器的溫差值，℃；qVN是氣體介質的標況體積流量，Nm3/h；ρN是氣體介質的標況密度值，kg/m3。

由式（1）、式（2）可見，對于不同管徑下的氣體測量，確定氣體介質的前提下，通過標定修正系數K值就能實現現場瞬時流量和累積流量的計量[3]。

2 電路仿真

熱式氣體質量流量計采用電橋平衡電路對測溫和測速兩個傳感器進行激勵，以Pt20和Pt1000的組合為例，電橋左邊回路R1+Pt20，電橋右邊回路R2+Pt1000；電阻R1的阻值為4.9Ω，電阻R2的阻值為270.5Ω，測量Pt1000的阻值就可以計算出測溫傳感器的溫度值。由于通過49Ω采樣電阻和Pt1000的電流相同，分別對兩個電阻的電壓進行采集，通過比率就可以計算出當前Pt1000的電阻值，進而計算出測溫傳感器的溫度值。由于采樣電阻49Ω對測量的準確度影響很大，需要電阻具備低溫漂和高精度的特性，在使用的過程中通常需要對采樣電阻進行標定，通常是應用標準電阻箱接入Pt1000的位置，計算出采樣電阻的準確電阻值與49Ω進行比較，后續將此修正系數帶入計算過程。對熱式橋電路進行仿真過程如下：假設管道內空氣介質的溫度為20℃，則測溫傳感器Pt1000的電阻值為1077.935Ω。基于上述電橋特性，測速傳感器Pt20需達到63.67℃（產生43.67℃溫差）才能至電橋平衡，停止對測速傳感器進行加熱[4]。

圖1 工業熱電阻溫度和阻值換算軟件Fig.1 Industrial thermal resistance temperature and resistance conversion software

圖2 熱式氣體流量計測量電橋電路圖Fig.2 Thermal gas flow meter measuring bridge circuit diagram

假設測溫傳感器Pt1000的溫度恒定在20℃不變，當不同流速的空氣介質在管道內流過測速傳感器Pt20時，流速越大帶走的熱量越多，即Pt20的溫度越低，Pt20阻值越小。分別假設Pt20的溫度為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，其對應的電阻值為21.95Ω、22.33Ω、22.72Ω、23.11Ω、23.49Ω、23.88Ω、24.26Ω、24.65Ω；電橋R1阻值上的電壓值分別為：2.175V、2.145V、2.115V、2.085V、2.058V、2.030V、2.003V和 0.419V。 由此可見，熱式氣體質量流量計流量越大時，電橋采樣電阻的電壓值越大，將采樣值與標準流量值進行對應就可以實現熱式氣體質量流量計的出廠標定。同理，假設測溫傳感器Pt1000的溫度為70℃（1270.751Ω），測速傳感器Pt20如果達到平衡停止加熱溫度為119.77℃（恒溫差49.77℃），Pt20在75℃、90℃、110℃下R1的電壓值分別為1.903V、1.834V和1.749V，也驗證了上述仿真的正確性[5,6]。

3 儀表設置

工業現場應用的熱式氣體質量流量計種類繁多，儀表參數配置也各不相同，以美國斯亞樂公司的熱式氣體質量流量計為例，流量計的接線端子包括：交流AC220V供電、直流DC24V供電；瞬時流量4mA～20mA信號輸出、工況溫度4mA～20mA信號輸出、工況表壓4mA～20mA信號輸出（有些工況現場并不進行溫壓補償，所以熱式探頭并不具備溫度和壓力測量功能），流量當量脈沖Pulse信號輸出；串口RS22數據通信接口；繼電器Alarm輸出接口。美國斯雅樂熱式氣體質量流量計的經典型號是640i和780i系列流量計，儀表的液晶采用緊湊的點陣式液晶，上電后依次顯示產品版本號、儀表序列號、儀表的量程上限、氣體介質類型和備注Tag標識。由于LCD的篇幅有限，一個頁面并不能顯示完全所有的儀表計量數據和配置參數，并且工業儀表配有防護外殼，需要設置菜單的滾動顯示是否開啟。熱式流量計的計量數據包括瞬時流量、工況溫度、工況壓力和累積流量值，表頭也可以根據現場的工藝要求設置上限或下限告警動作[7,8]。

熱式氣體流量計的氣體介質包括：空氣、二氧化碳、甲烷（沼氣）和氧氣。針對現場的管道情況，還需要設置管道內徑（出廠標定流速換算時使用，出廠帶管段標定流量不使用）、管道內壁粗糙度（不同管道材質會影響氣體計量的準確度，如碳鋼和不銹鋼的管道下，氣體的瞬時流量值會有少許變化）。設置瞬時流量單位、工況溫度單位、工況壓力單位、設定工況壓力值、儀表修正系數、小流量切除、校準日期，以及電流輸出通道4mA和20mA校準，4mA壓力下限值、20mA壓力上限值、4mA溫度下限值、20mA溫度上限值，阻尼濾波值（1～200）。除了通過儀表按鍵設置參數之外，也可以通過RS232或者RS485連接儀表配套的上位機配置軟件，實現計量數據的實時采集記錄和配置參數的設置。

4 結論

本文闡述了熱式氣體質量流量計的工作原理，熱式電橋電路的仿真過程和常規表頭的參數設置過程。熱式氣體流量計應用兩個熱電阻傳感器（分別測流速和測工況溫度），并通過電橋電路調整兩個傳感器至恒溫差效果；通過標定不同流速下電橋電路的加熱功率，實現熱式氣體瞬時流量的準確計量；通過采用電路仿真的方法對電橋電路的復雜工作過程進行了測試，測溫傳感器在不同的工況溫度下，仿真不同氣體流速下測速探頭的實時溫度值，驗證了儀表標定可行性。熱式氣體質量流量計是具有較高的靈敏度和重復性的工業計量儀表，尤其適用在大管徑、低流速的工業場合。