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热导式质量流量计在大管径气体流量测量中的应用
发布日期:2020/4/20 17:06:42
1前言
在烧结生产工艺中,对主抽风机及电除尘器进出口管道废气流量进行测量、监视具有十分重要的作用。例如:对主抽风机废气进口流量进行测量,以了解烧结料层的透气性;对电除尘器进出口管道废气流量进行测量,以平衡烟气流量、提高工业污染控制系统的效果。由于测量对象为脏废气体,含尘量高(0~200mg/m3)、温度高(0-200℃)、介质含硫且工艺测量管径大(1~5m),国内尚无有效的流量仪表进行可靠测量,在一些地方曾经也采用了某些国内新型仪表,但使用效果不好。近年来,一些大型烧结厂为了环境保护和优化生产过程,引进国外特殊流量仪表进行测量,如:文丘利、阿牛巴等差式流量计、涡轮流量计热导式质量流量计等。其中,热导式质量流量计由于其独特的设计原理,在大管径、高含尘量的废气流量测量中得到越来越广泛的应用。
 
2.测量原理
热导式质量流量计采用热传导原理及恒定温差(△T)技术(见图1),其测量传感器包括两个带不锈钢套管保护的RTD电阻式温度传感器。其中一个为参比电阻( ReferenceRTD),称为温度传感器R。,用来测量介质温度作为参比温度;另一个为发热元件( HeatedElement),也称为加热传感器Rn,被加热到一定的温度,利用惠斯通电桥控制加热传感器的功率来保持加热传感器和参比温度传感器的恒定温差(一般为55℃)。当气体质量流量增加时,气体的摩尔分子数也增加,并从发热元件上带走的热量也增加,引起温度下降。通过电子部件探测到温度降,并按比例输出能量,以维持与参比温度之间的恒定温差。输出给发热元件的能量与气体的质量流量成线性关系,由仪表内置的微处理器将能量输出线性化,通过检测加热传感器和参比温度的传感器之间的热量差来测量流体的质量流量。这种通过加热功率变化来测量气体的质量流量的关系式如下:
P/△T=K1+K2F(qm)K3
式中:P一加热功率
qm一质量流量
△T一温差(△T=Rp-Rtc)
K1、K2、K3与气体物性等有关的常数

热导式质量流量计由于其独特的设计原理而与流体的雷诺数无关,因此能在层流、过渡流、湍流条件下标定。
 
3.热导式质量流量计的特点
同传统差压式的流量计相比,插入式热导质量流量计用于管径大、流量范围宽、温度変化大、含尘量较大的废气及含硫介质的工况有着其独待的优点:
(1)温度自动补偿:由于温度的变化影响
气体的热容量,为保证气体流量的测量精度和重复性,须进行温度补偿,这在气体流量的测量上尤其重要。介质在整个温度范围-40~125℃内流速范围适中或介质温度低于200℃流速范围较低的工况,采用STC标准温度补偿;对于介质温度高(0~500℃)及温度和流速变化幅度大的场合,采用VTM温度补偿,VTM将工况温度分成多段,利用微处理器在建立好的温度场中计算速度,进行流速的标定。
(2)高量程比:热导技术有着非常高的量程比,可达到700:1,使其在很宽的流量范围内有着很高的精度。而差压原理流量计的典型量程比为3:1~10:1,在低流量测量时,测量精度受影响。
(3)高灵敏度:热导质量流量计对流量轻微变化引起的能量输出变化( Energy to sensor)“十分敏感”,称之为“低流或低端敏感性"”,所以热导质量流量计特别适用于测量低流速气体流量,这是其他流量计所无法比拟的(见图2)。

例如差压式流量计,是根据节流装置产生的差压和气体流速的平方成正比来测量气体流量的(见图3)。由于差压和气体的流速的平方成正比,因在流速较低时,差压产生的信号强度极低,对低流量的响应是很慢的,只有当流速达到较大值时才会有明显的信号输出,很难测量。
(4)无活动部件:由于采用全焊结构,这种热导式质量流量计在治金、化工、石油等行业的一些恶劣环境中能可靠运行。同时,由于外包敷的防磨层能保护探头不受粉尘和其它颗粒的影响,抗恶劣环境的能力非常强。而差压流量计结垢时易堵塞,影响测量精度甚至导致测量瘫痪。
(5)结构简单、安装方便,在管道中的压损小。差压流量计测量元件主要有孔板、文丘利管等,这些元件产生不可恢复的压损大,造成能源浪费和运行费用增加。
插人式热导质量流量计与差压式流量计的技术比较见表1。
4.热导技术的局限性
由于这种热导式质量流量计的测量原理是利用热扩散技术,即测量信号大小依赖于气体的冷却速度,因此在易产生液体凝结的管道处不宜安装热导式流量计。在有些情况下,难免有些液滴会附着在传感头上,因此应使传感头上朝上安装,以避免凝结液流到传感头上。混合气的变化对热导式流量计的质量流量测量也有影响。每种气体都有自己的热特性,当校准热导式流量计时,须用实际气体或类似特性的气体来进行标定,如果过程混合气的组成变化时,将会产生一定的误差。
 
5.结语
近年来,电子、计算机以及传感器技术的迅速发展,使热导式质量流量计的稳定性、精确度和使用寿命大大提高,价格也在不断下降,在测量大口径含尘废气流量的工况中用其取代测量范围窄、维护较复杂、压力损失大、运行费用高、寒冷地区须加防冻处理等的差压式流量计是一种趋势。
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