—種新穎型的流量計--氣體質(zhì)量流量計

—種新穎型的流量計--氣體質(zhì)量流量計

華東化工學(xué)院 邢士峰 黃國雄 李承烈

目前所用各種型式的氣體流量計，絕大部分是計量氣體的體積流量。由于氣體的體積隨溫度與壓力的不同而變動，所以常發(fā)生較大的計量誤差。如工作壓力經(jīng)常變動，更使計量發(fā)生困難。 氣體質(zhì)量流量計的主要特點是不受溫度與壓力變動的影響，其顯示讀數(shù)直接指示氣體的質(zhì)員流量。它具有一系列優(yōu)點： 1. 在常壓、高壓或負(fù)壓的條件下均可選用。 2. 可在常溫、100度，甚至又高的溫度下正常運行。 3. 適用的量程范圍寬，既能用于實驗室內(nèi)小流量的場所也可用于工廠生產(chǎn)中的大型裝置。 4. 流量計的阻力降極微。 5. 抗介質(zhì)腐蝕的能力強。 6. 計量精度高。 7.輸出電訊號，可遠(yuǎn)傳顯示，還便于與其他儀表配合后實現(xiàn)流量記錄．自控或累計。 質(zhì)量流量計是一種熱導(dǎo)式儀表早在本世紀(jì)初，托馬斯(Thomas)提出了它的原型，后幾經(jīng)變革慚趨完善。目前許多國家有這類流星計的工業(yè)產(chǎn)品，廠泛應(yīng)用于各個工業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實驗的領(lǐng)域。雖具體結(jié)構(gòu)各有差異，但其原理是基本一致的。我國自1976年以來，也已有幾種產(chǎn)品陸續(xù)間世，較多地應(yīng)用于原子能工業(yè)及半導(dǎo)體制造工業(yè)。我們曾用于80大氣壓微型催化反應(yīng)裝置中計量氫氣流量，己取得了成功的經(jīng)驗。若能把它推廣應(yīng)用于石油、化工業(yè)的各個方面必將收到良好的效益。 質(zhì)量流量計原理圖 這種流量計的基本原理是在一很小直徑(4毫米)的薄壁金屬管(常用不繡鋼、純鎳或蒙乃爾臺金等耐蝕合金)的外壁，對稱繞上四組電阻絲，相互聯(lián)接組成惠斯頓電橋(見下圖)，其守橋留繞組l與繞組3分內(nèi)、外兩層平繞于管了左側(cè)(上游)，繞組2與6則同樣地繞于管子的右側(cè)(下游)。如圖接上值電流的直流電源后，電流通過繞組而致升溫，沿金屆導(dǎo)管軸向形成一個對稱分布的溫度場(圖中實線所示)。當(dāng)氣體流經(jīng)導(dǎo)管時因氣體吸熱而使上游管壁溫度下降，通過下游時氣體放熱，管壁溫度上升，導(dǎo)致了溫度場的變異，即溫度最高點位置向右偏移(圖中虛線所示)。電阻絲采用電阻溫度系數(shù)較大的材料能靈敏地反映溫度的變化而使電橋失去平衡。最后，將電橋的不平衡電壓訊號放大或者轉(zhuǎn)換成電流訊號。從理侖上來說這輸出訊號的大小正比于氣體的質(zhì)量流量與氣體比熱的乘積，可簡單地表達(dá)為： 式中：E一輸出訊號 k一比例常數(shù) Cp一氣體比熱(定壓) M一氣體的質(zhì)量流量 A一流量計各繞組與周圍環(huán)境間的總傳熱系數(shù) 就理想氣體而言，氣體的比熱是不隨壓力而變化的常值，所以輸出訊號僅與氣體的質(zhì)量流量成正。一般的真實氣體其比熱受壓力影響的變動幅度很小故仍可用輸出訊號直接代表質(zhì)量流量。認(rèn)為與壓力的大小無關(guān)。在實用中，因難于計量氣體的質(zhì)量來標(biāo)定儀表故常以換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(760毫米汞柱、0℃或760毫米汞柱、20℃)的氣體體積(用“標(biāo)升”或標(biāo)立米”表示)來標(biāo)稱氣體的質(zhì)量。 根據(jù)這種儀表的原理、性能，結(jié)合我們的使用經(jīng)驗及測試情況下面幾個方面值得注意： 1．當(dāng)儀表的工作條件變換時(如變更介質(zhì)、環(huán)境溫度大幅度變化等)，對儀表的零位應(yīng)重新加以調(diào)整。同時，儀表的導(dǎo)管必須水平安裝，要用水平儀校準(zhǔn)。否則將增大工作條件變化對零位漂移的影響。機架更不可有震動或搖擺等情況故不宜在船舶上使用。 2．對相當(dāng)于0—100kg/cm2壓力、0～7標(biāo)升/小時流量(空氣)范圍內(nèi)的大量測試數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)運算，用最小二乘法原理求直線回歸方程，其相關(guān)系數(shù)λ值均在0.999～0.9999范圍內(nèi)，證明儀表具有良好的線性度。但線性度與量程大小有著流量越大，非線性越嚴(yán)重，所以一般把量程限定在0～4標(biāo)升/時(空氣)以內(nèi)，以確保良好的線性度。為了能測量大流量而又保證線性度，可采用分流原理來擴(kuò)展儀表的量程。如采取旁路管、文丘利管、孔板等配合使用，量程可分別擴(kuò)大到每小時幾十、幾百、幾千標(biāo)升，直至幾萬標(biāo)立方。 3．雖然真實氣體的比熱隨壓力的不同而有變化甚至某些氣體的變動幅度還比較大(見表1)，但儀表的測量精度仍能保持桂一定范圍內(nèi)(見表2)。 表1 氣體的定壓比熱(卡/標(biāo)升℃) 表2 儀表的測量精度（％） 4．導(dǎo)管材質(zhì)的選擇，除了考慮耐腐蝕性以外，以選用導(dǎo)熱性能較好的材料為佳。以測目氮氣為例，同樣在0—100kg/cm2壓力及0～7標(biāo)升/小時流量的范圍內(nèi)測試，用鎳管的測量精度為2～2.5％而用不銹鋼的則為3～4％(鎳的導(dǎo)熱系數(shù)約為不銹鋼的三倍)。 5．由于這類儀表必須在氣體比熱相對穩(wěn)定的情況下才能進(jìn)行正常工作所以凡是氣體成分不穩(wěn)定、氣體中央帶霧沫以及工作條件逼近氣體的液化臨界區(qū)等情況由于比熱值很不穩(wěn)定，均不宜使用這種儀表。如乙烯液化的臨界點是50 kg/cm2、9.9℃，在測試時發(fā)現(xiàn)壓力超過30 kg/cm2時，儀表讀數(shù)就開始失穩(wěn)了。 6．若改換了一種氣體介質(zhì)，最好重新進(jìn)行標(biāo)定。在儀表的說明書里，常介紹不重新標(biāo)定，而僅根據(jù)兩種氣體的比熱來換算未經(jīng)標(biāo)定的氣體流量雖簡單方便，但會造成較大的誤差，尤其是在高壓下工作時，我們發(fā)現(xiàn)儀表的靈敏度并不完全與比熱成正比關(guān)表，更以重新標(biāo)定為妥。 7．本儀表在使用前必須先開機預(yù)熱，在未充分預(yù)熱前，儀表上作不穩(wěn)定。比較好的機型，其開機預(yù)熱時間在兩小時以內(nèi)。 8．在使用過程中，當(dāng)氣體流量突然改變時，須通過熱量的傳送，管內(nèi)溫度重新分布，所以輸出訊號的重新穩(wěn)定需要一定的時間。為了能減小這種滯后現(xiàn)象，制造廠常在儀表的電氣線路中加設(shè)微分網(wǎng)絡(luò)，以使輸出訊號快速反應(yīng)。這在與其他儀表配合作流量自控時尤為必要。