熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用
1前言
安鋼燒結(jié)廠05m2燒結(jié)機(jī)所使用的SJlOOOm／h的主抽風(fēng)機(jī)至120m大煙道有一段直徑為4m的除塵管道，這一段除塵管道的廢氣流量一直是懸在幾代燒結(jié)人頭上的難題。如何檢測大管徑管道的廢氣流量？以前工程技術(shù)人員一般選用孔板式差壓流量計(jì)，但經(jīng)過多年使用這種流量計(jì)的缺點(diǎn)就凸現(xiàn)出來。由于除塵管道流量計(jì)管徑龐大，加之維修校驗(yàn)不便 ，在管道中200米高的大煙筒巨大的抽力對(duì)孔板的表面產(chǎn)生一定的磨損，孔板管道內(nèi)就有了腐蝕 ，骯臟微粒物進(jìn)入等多種因素導(dǎo)致孔板流量計(jì)不準(zhǔn)或損壞。
大管徑廢氣流量的檢測特點(diǎn)：①管徑龐大，通常DN1000mm~DN6000mm，這就給檢測此流量的儀表維修和標(biāo)定帶來了相當(dāng)?shù)睦щy ，一般檢測或清洗探頭要興師動(dòng)眾，耗費(fèi)大量的人力物力 ；② 壓力 低流速低 ，一般 出口壓力在 l0-~60kPa，流速為1．5~6m／s，選用那樣的檢測儀表要壓損小，流量的雷諾數(shù)低。③介質(zhì)臟，液體中含有大量的灰分和 腐蝕物，容易污染流量計(jì)的傳感器部分 。 針對(duì)上述特點(diǎn)，我們在反復(fù)試驗(yàn)的基礎(chǔ)之上采用了比較先進(jìn)的大管徑插入式熱式氣體量流 量計(jì)來檢測大管徑廢氣流量。
2 熱式質(zhì)量流量計(jì)的歷史和發(fā)展
熱式質(zhì)量流量計(jì)是利用加熱時(shí)液體溫度上升某一值所需的能量與液體質(zhì)量之間的關(guān)系來測量液體或氣體質(zhì)量的一種流量儀表。一般用來測量煤氣等氣體的質(zhì)量流量。它具有壓損小，流量范圍度大，高精度，高重復(fù)性，高可靠性，體積小，易維護(hù)不易損壞等特點(diǎn)。早期的熱式質(zhì)量流量計(jì)直接將加熱線圈和測溫元件放入液體中與液體接觸，是一種接觸式流量計(jì)，由于現(xiàn)場環(huán)境中普遍存在腐蝕、磨損及防爆問題，使它的工業(yè)應(yīng)用受到了很 大的限制。到20世紀(jì)50年代，人們又提出了與液體不接觸的邊界層流量計(jì)，它克服了接觸式流量計(jì)的缺點(diǎn)，但測量結(jié)果受介質(zhì)參數(shù)(如熱 導(dǎo)率，比率，粘度)以及環(huán)境的震動(dòng)等的影響；到20世紀(jì)70 年代，基于測量液體溫度分布的熱分布型TMF，由于其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在國內(nèi)備受青睞，可它有一種致命的缺點(diǎn)測微小流量 ，僅僅適用于小管徑測量，大管徑液體測量它就束手無策，正是在這些流量計(jì)的基礎(chǔ)之上，人們又設(shè)計(jì)了一種插入式TMF，它在國內(nèi)得到了迅猛的發(fā)展，可以用來測量大管徑的氣體流量。
多點(diǎn)平均矩陣式670S質(zhì)量流量計(jì)使用不銹鋼傳感探頭，因此就增加了其準(zhǔn)確性、堅(jiān)固性 、可靠性。它有兩個(gè)探頭伸入到被測氣體中，一個(gè)速度傳感器用來檢測質(zhì)量P，一個(gè)自動(dòng)修正溫度變化的溫度傳感器用來檢測氣體溫度T，這兩個(gè)探頭使用參考級(jí)甘溫元件——鉑熱電阻。熱電阻的穩(wěn)定 性，重復(fù)性符合NIST標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)代工業(yè)用的插入式TMF用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)鉑熱電阻(RTD)的鉑絲纏繞在一套磁芯棒上插入到一個(gè)堅(jiān)固的不銹鋼套筒中，速度傳感器RTD的電阻比溫度傳感器RTD的電阻小得多，并由電子設(shè)備供電產(chǎn)生熱量。插入式TMF的工作原理基于熱力學(xué)第一定律，即電子設(shè)備提供給速度傳感器的電功率等于流動(dòng)的氣體對(duì)流換熱所帶走的熱量
(見圖 1)
多點(diǎn)距陣排列插入式TMF，在傳感器延長度方向設(shè)置有4～16個(gè)不等的質(zhì)量流速探頭，用來測量大管徑的總質(zhì)量流量。多點(diǎn)插入型傳感器設(shè)置劃分為n個(gè)等面積環(huán)，在每個(gè)等面積環(huán)的質(zhì)心設(shè)置一個(gè)熱式質(zhì)量流速。
4 電子設(shè)備供電電路TMF系列有兩個(gè)傳感器，一個(gè)是速度傳感器，個(gè)是溫度傳感器。測量時(shí)，傳感探頭插入流體中，感受流體的流速和溫度。它們同時(shí)是電子組件橋路的兩上橋臂，形成一個(gè)不平衡電橋。通電時(shí)，橋臂電流將速度傳感器加熱到高于溫度T一個(gè)溫差△T的T，T—TlI=△T。不平衡電橋就變成平衡電橋。此時(shí)電橋便輸出一個(gè)對(duì)應(yīng)零流量的電壓， 經(jīng)放大電路處理，輸出流量計(jì)的下限信號(hào)4mA；瞬時(shí)流量顯示為000；且累積流量無累積動(dòng)作發(fā)生，累積顯示保持著原來的累積數(shù)字不變。當(dāng)流體流經(jīng)加熱的速度傳感器時(shí)，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，將會(huì)帶走速度傳感器的一部分熱量，使其溫度下降，而且流量越大，帶走的熱量越多，其溫度T下降也越 大，電橋又變成一個(gè)不平衡電橋 。由于橋路的反饋控制作用 ，總要回到平衡電橋狀態(tài)。為此，電橋必須在速度傳感器上流過與流量大小成正比的電流，使速度傳感器回到平衡狀態(tài)時(shí)的溫度T。這時(shí)橋路便輸出一個(gè)正比于流量大小的電壓信號(hào)。經(jīng)電路放大、線性化處理，使輸出與流量成 正比的 ~20mh之間的一個(gè)電流信號(hào)、瞬時(shí)流量顯示為直到最大刻度流量的一個(gè)值 、累積動(dòng)作將以與瞬時(shí)流量成正比的速度進(jìn)行累積。按上所述 ，設(shè)速度傳感器的加熱功率為P，速度傳感器與流體的溫差為△T，T一T2=△T。流體的質(zhì)量流速為pv。根據(jù) L—V．King定理，即流體流經(jīng)加 熱的速度傳感器時(shí)所帶走的熱量Q，與對(duì)速度傳感器加熱到溫度T的電功率P相等。由于橋路的反饋控制作用T1-T2=AT為一恒定的常數(shù)。所以橋路的輸出(決定流量計(jì)輸出的量)與流體的質(zhì)量流速pv成單值函數(shù)關(guān)系。特別要指出的是，由于速度傳感器的熱量是被流體中的分子所帶走的，所以速度傳感器測量的是流體的質(zhì)量流速 pv。因此只要乘以流體管道的截面積S，便可得到流體的質(zhì)量流量。
插入式TMF有諸多優(yōu)點(diǎn)：①有堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)，適 用于煤氣區(qū)域和工業(yè)應(yīng)用。②測量范圍大 。③準(zhǔn)確 度重復(fù)性好。④響應(yīng)時(shí)間快速。⑤可測含中等 固體 顆粒 的氣體。
5大管徑流量儀表的比較插入式TMF、孔板式差壓流量計(jì)兩者均能檢測 大管徑流量 ，我們可以作一 比較 ，由表i中明顯看出大管徑插入式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在各項(xiàng)性能 指標(biāo)有很大的優(yōu)勢，因此它是差壓式流量計(jì)的替代品。氣體流量計(jì)根據(jù)具體的環(huán)境情況的安裝見表 2。
6結(jié)束語
在燒結(jié)生產(chǎn)中，現(xiàn)在很多地方已經(jīng)使用了質(zhì)量流量計(jì)，比如點(diǎn)火爐的空氣流量和煤氣流量 ，這些位置較高和不安全的地方，質(zhì)量流量計(jì)已發(fā)揮了巨大的作用 。從使用熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)檢測廢氣流量的效果來看，它測量準(zhǔn)確，平穩(wěn)，維修量小。具有較好的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，因此它在冶金行業(yè)受到了普遍的歡迎 。
