熱式質(zhì)量流量計(jì)在化工行業(yè)中的應(yīng)用

　　
　　一、引言
　　量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)于單一組分的氣體或固定比例的混合氣體測(cè)量，目前已廣泛應(yīng)用于石油、化工、半導(dǎo)體、醫(yī)療儀器、生物工程、燃燒控制、配氣、環(huán)境監(jiān)測(cè)、精密儀器、科研、計(jì)量、食品、冶金、航天航空等領(lǐng)域。
　　量熱式質(zhì)量流量計(jì)用于精密測(cè)量和自動(dòng)控制氣體的質(zhì)量流量。采用標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)集中控制。在大慶石化公司就有多種形式的應(yīng)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(jì)，量程為1.45Kg/H和9.5Kg/H。
　　與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比，它不需配置溫度、壓力變送器，不用進(jìn)行溫度、壓力的補(bǔ)償就能直接測(cè)量質(zhì)量流量（在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，0℃，101.325KPa）。
　　當(dāng)氣體作為生產(chǎn)過(guò)程中的控制變量時(shí)（例如燃燒、化學(xué)反應(yīng)、通風(fēng)排氣、產(chǎn)品烘干等），使用質(zhì)量流量控制器直接測(cè)量，可控制氣體的克分子數(shù)量。
　　如果要保持定量的氣體混合作為混料或配料，或者要優(yōu)化化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，到目前為止還沒(méi)有比使用質(zhì)量流量控制器更好的技術(shù)。質(zhì)量流量控制器連續(xù)可調(diào)控制流量，通過(guò)顯示儀還可獲得累積流量。
　　熱式質(zhì)量流量計(jì)還是管道系統(tǒng)、閥門(mén)類密封性檢測(cè)的較好儀器，它直接顯示漏氣量。質(zhì)量流量計(jì)性能價(jià)格比高，易于安裝，操作簡(jiǎn)便，使用質(zhì)量流量計(jì)和質(zhì)量流量控制器產(chǎn)品是zui合理的選擇之一。
　　由于此類質(zhì)量流量計(jì)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(hào)和測(cè)量精度。
　　二、基本原理
　　熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)熱源及測(cè)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(zhì)量流量計(jì)
　　這種質(zhì)量流量計(jì)的加熱元件和測(cè)溫元件都置于被測(cè)流體的管道內(nèi)，與流體直接接觸，常被稱為托馬斯流量計(jì)，適于測(cè)量氣體的較大質(zhì)量流量.其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。由于加熱及測(cè)量元件與被測(cè)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(cè)量靈敏度和使用壽命。測(cè)量高流速、有腐蝕性的流體時(shí)不宜選用，這是接觸式的缺點(diǎn)。
　　圖1:接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)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(zhì)量流量計(jì)
　　這種流量計(jì)的加熱及測(cè)溫元件都置于流體管道外，與被測(cè)流體不直接接觸，克服了接觸式的缺點(diǎn)。熱式微流量型（是非接觸式質(zhì)量流量計(jì)的典型結(jié)構(gòu)）如圖2所示。儀表的測(cè)量導(dǎo)管，為薄壁小口徑鎳管，鎳管外部?jī)蓚?cè)纏繞鉑電阻絲3、5作為測(cè)溫線圈，并作為測(cè)量電橋的兩臂R1、R2。兩測(cè)溫線圈的中間纏繞著錳銅絲加圈4，作為儀表的加熱器。當(dāng)流體靜止時(shí)，由于測(cè)溫線圈對(duì)稱地安裝在加熱器兩側(cè)且阻值相等（各100左右），因此測(cè)量電橋處于平衡狀態(tài)。但當(dāng)流體在鎳管中流經(jīng)測(cè)溫電阻時(shí)，就破壞了加熱器的溫度場(chǎng)，兩測(cè)溫線圈處于不同的溫度場(chǎng)內(nèi)，因而引起電阻值發(fā)生變化。兩測(cè)溫線圈阻值不等，破壞了電橋的平衡。根據(jù)電橋平衡原理，由檢流計(jì)8測(cè)得電阻值的變化,即可求得質(zhì)量流量M。
　　非接觸式熱式質(zhì)量流量計(jì)
　　1—測(cè)量導(dǎo)管;2—等溫外殼;3—測(cè)溫線圈;4—加圈
　　7—調(diào)零電阻;8—檢流計(jì)
　　熱式微流量計(jì)適用于測(cè)量液體和氣體的微小質(zhì)量流量。可測(cè)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，有些產(chǎn)品取消了加熱器，只用兩只測(cè)量電阻，既作加熱元件又作為測(cè)溫元件。這種設(shè)計(jì)，由于熱慣性的原因，儀表反映速度比較小，靈敏度較低;被測(cè)流體溫度變化影響儀表指示的準(zhǔn)確度。
　　為了提高非接觸熱式質(zhì)量流量計(jì)的流量測(cè)量范圍，設(shè)計(jì)了一種邊界層質(zhì)量流量計(jì)，它利用測(cè)量流體靠近管壁的邊界層的熱傳導(dǎo)來(lái)反映流量的大小．用這種方式測(cè)量流量，一般是利用控制管外壁的加熱器給出的熱量來(lái)保持邊界層內(nèi)外溫差恒定，然后根據(jù)熱源測(cè)量反映出質(zhì)量流量。
　　熱式質(zhì)量流量計(jì)目前發(fā)展較快的有：質(zhì)量流量計(jì)、邊界層質(zhì)量流量計(jì)、分流式熱毛細(xì)管質(zhì)量流量計(jì)以及用IC基板技術(shù)的熱式質(zhì)量流量計(jì)等。
　　三、實(shí)際應(yīng)用與維護(hù)
　　我廠聚烯烴裝置中因?yàn)榭刂茦?shù)脂分子量需要調(diào)節(jié)氫氣、氧氣等的注入量，而采用了4臺(tái)熱式微質(zhì)量流量計(jì)。根據(jù)熱式微質(zhì)量流量計(jì)這幾年運(yùn)行的實(shí)際情況，對(duì)其可靠性、度作如下分析：
　　（一）可靠性
　　1.平均故障間隔時(shí)間（MTBF）
　　采用平均故障間隔時(shí)間（MTBF）來(lái)衡量設(shè)備的可靠性。此處的故障指已出現(xiàn)明顯的顯示錯(cuò)誤，超出儀表的精度要求。由于單臺(tái)設(shè)備沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)兩次故障現(xiàn)象，這里可以把整體假定為1臺(tái)儀表在4倍的時(shí)間里運(yùn)行，出現(xiàn)過(guò)一次故障。
　　MTBF=工作時(shí)間/故障次數(shù)
　　=4×6×365×24/1
　　≈2.1×105（h）
　　2.平均修復(fù)時(shí)間（MTTR）
　　以位號(hào)FT-201A微流量計(jì)為例：因?yàn)閭鞲衅鲀?nèi)部檢測(cè)元件出現(xiàn)問(wèn)題，返回廠家修理、標(biāo)定，歷時(shí)2個(gè)月。由此可知，熱式微質(zhì)量流量計(jì)的平均修復(fù)時(shí)間受外部因素的影響比較大。
　　（二）精度
　　所有熱式微質(zhì)量流量計(jì)在工作一段時(shí)間后的測(cè)量誤差做實(shí)際對(duì)照，流量測(cè)量值與標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定讀數(shù)的zui大誤差均不大于1%，則從實(shí)際儀表測(cè)量值與標(biāo)定、情況看，它已滿足生產(chǎn)需要。
　　（三）設(shè)備維護(hù)
　　我廠處于高寒地區(qū)，對(duì)應(yīng)用設(shè)備的耐低溫特性要求極為嚴(yán)格。盡管有一些熱式微質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)稱的工作溫度范圍可達(dá)到－40℃～80℃，但在實(shí)際應(yīng)用中并不理想。因外界的溫度因素的影響，致使加熱元件產(chǎn)生的熱量損耗過(guò)大不能正常地加熱被測(cè)介質(zhì)，或外界的溫度過(guò)高影響介質(zhì)的正常加熱，此時(shí)表的指示偏高或超程無(wú)指示。根據(jù)我們的實(shí)際應(yīng)用體會(huì)，認(rèn)為該類型表工作在0℃～55℃是比較適合的。聚丙烯裝置就出現(xiàn)過(guò)因低溫導(dǎo)致的設(shè)備失靈的現(xiàn)象，在相應(yīng)的敷設(shè)伴熱管線和儀表保溫箱后問(wèn)題解決。
　　該類設(shè)備安裝就位，調(diào)試投用后，只需要進(jìn)行常規(guī)的運(yùn)行檢查和除塵清潔，無(wú)需特殊維護(hù)。
　　四、結(jié)語(yǔ)
　　熱式質(zhì)量流量計(jì)越來(lái)越多地應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)外延擴(kuò)散、石油化工微型反應(yīng)裝置、鍍膜工藝、光導(dǎo)纖維制造、熱處理淬火爐等各種場(chǎng)所的氫、氧、氨、燃?xì)獾攘髁繙y(cè)量和控制，以及固體氣制冷中固體氬蒸發(fā)等累積量計(jì)量和閥門(mén)制造中的泄漏量測(cè)量等。在氣體色譜儀和氣體分析儀器等實(shí)驗(yàn)室儀器上，也得到了大量的應(yīng)用，受到越來(lái)越多的專業(yè)人員的重視，具有廣闊的發(fā)展前景。