氣體排空流量計

熱式質(zhì)量流量計是基于熱擴(kuò)散原理的流量儀表，即是利用流體流過發(fā)熱物體時，發(fā)熱物體的熱量散失多少與流體的流量成一定的比例關(guān)系，具體來說，該流量計的傳感器有兩只標(biāo)準(zhǔn)級的RTD，一只用來做熱源，一只用來測量流體溫度，流體流過時，兩者之間的溫度差與流量的大小成非線性關(guān)系，該儀表就可以把這種關(guān)系轉(zhuǎn)換為測量流量信號的線性輸出。

測量原理：

熱式質(zhì)量流量計由傳感器和信號分析、處理與控制單元兩部分構(gòu)成。傳感器一部分測量溫度，而另一部分用于加熱。前者監(jiān)控實(shí)際過程溫度值；后者維持一恒定溫度值，使其總是高于實(shí)際過程溫度且與該過程溫度保持恒定的溫度差。氣體的質(zhì)量流量越大，冷卻效應(yīng)就越大，維持差分溫度所需的能量也就越大。因此，通過測量加熱器的能量便可得出被測氣體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品應(yīng)用：

?壓縮空氣
?鍋爐房或干燥機(jī)中的天燃?xì)?/span>
?釀酒廠中的氣體
?污水處理廠中的空氣和曝氣
?生成氣體（如氬氣、氮?dú)狻⒑?、氧氣?/span>
?氣體泄露檢測

產(chǎn)品特點(diǎn)：

?高性能智能微處理器及模數(shù)、數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片；
?寬量程比100：1；大口徑，低流速，壓損可忽略；
?直接測量質(zhì)量流量，無須溫壓補(bǔ)償；
?低流速測量非常靈敏；
?設(shè)計、選型方便，安裝、使用簡便；
?適合各類單一或混合氣體流量測量。

技術(shù)參數(shù)：

常用氣體量程上限（Nm3/h）（下表可擴(kuò)展）：

標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)流量:溫度為20℃，壓力為101.325KPa時的流量。
注：瞬時流量的單位可選Nm3/h、Nm3/min 、L/h 、L/min、t/h、t/min 、kg/h 和kg/min。

產(chǎn)品外形：

特殊工作狀態(tài)下熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)方法的研究：

本文主要研究進(jìn)口壓力和氣體介質(zhì)對熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)結(jié)果的影響。高壓工作狀態(tài)下,比較不同進(jìn)口壓力對校準(zhǔn)結(jié)果的影響,優(yōu)化了校準(zhǔn)方法。特殊氣體工作狀態(tài)下,比較實(shí)際校準(zhǔn)結(jié)果和理論換算結(jié)果,給出單組份氧氣、單組份氬氣和氬氣不同比例的混合氣體等介質(zhì)的流量修正系數(shù)表。

熱式氣體質(zhì)量流量計穩(wěn)定性好，不需要溫度和壓力補(bǔ)償，數(shù)據(jù)傳輸方便，易于安裝和維修，可實(shí)現(xiàn)工廠的自動化和集成化，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域，如核電站、鋼鐵企業(yè)、能源工業(yè)等。因此，熱式氣體質(zhì)量流量計量值溯源的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

實(shí)驗室中，hualu/華陸熱式氣體質(zhì)量流量計通常在常溫常壓下，以高純氮?dú)庾鳛闅怏w介質(zhì)進(jìn)行校準(zhǔn)。而在工業(yè)現(xiàn)場，實(shí)際使用的氣體介質(zhì)種類很多，有的甚至是混合氣體。熱式氣體質(zhì)量流量計也可能是在高壓下工作。比如，鋼鐵企業(yè)就常使用氬氣或氬氣混合氣體作為氣體介質(zhì)，核電站用的熱式氣體質(zhì)量流量計的進(jìn)口壓力一般高于常壓。為了保證這些特殊工作狀態(tài)下的熱式氣體質(zhì)量流量計量值的準(zhǔn)確可靠，本文優(yōu)化了高壓工作狀態(tài)下的校準(zhǔn)方法，研究了特殊氣體工作狀態(tài)下的修正方法，給出單組份氧氣、單組份氬氣和氬氣不同比例的混合氣體等介質(zhì)的流量修正系數(shù)表。

1 現(xiàn)有的熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)方法

現(xiàn)有的熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)方法如圖1所示，校準(zhǔn)系統(tǒng)主要包括氣源(高純氮?dú)?、穩(wěn)壓閥、流量調(diào)節(jié)閥、被校表(熱式氣體質(zhì)量流量計)、標(biāo)準(zhǔn)器等。這些設(shè)備依次串聯(lián)在一起，由于熱式氣體質(zhì)量流量計前端加了穩(wěn)壓閥和流量調(diào)節(jié)閥，它的進(jìn)口壓力基本為常壓。

標(biāo)準(zhǔn)器采用的是活塞式氣體小流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，如圖2所示。氣體流過時，活塞在氣缸里運(yùn)動，根據(jù)活塞在兩個光電發(fā)射器間運(yùn)動的時間和已知容積值，可以測得經(jīng)過該標(biāo)準(zhǔn)器的氣體體積流量。底座上自帶了壓力傳感器和溫度傳感器，從而可計算得到氣體的質(zhì)量流量。該標(biāo)準(zhǔn)器的流量范圍是(5～50000)mL/min，擴(kuò)展不確定度是0.2%(k=2)，可以校準(zhǔn)常見的1.0級的熱式氣體質(zhì)量流量計。

2 高壓工作狀態(tài)下校準(zhǔn)方法的研究

為了校準(zhǔn)高壓的熱式氣體質(zhì)量流量計，假設(shè)其進(jìn)口壓力要達(dá)到1.0MPa，則需要把被檢表前端壓力調(diào)大，把流量調(diào)節(jié)閥置于被檢表的后端，即在氣源出口安裝壓力計，然后連接被檢表，再連接流量調(diào)節(jié)閥，后連接標(biāo)準(zhǔn)器。優(yōu)化后的熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)方法如圖3所示，通過減壓閥調(diào)節(jié)，觀察壓力計的示數(shù)，使hualu/華陸熱式氣體質(zhì)量流量計的進(jìn)口壓力達(dá)到目標(biāo)值。

為了研究進(jìn)口壓力的大小對熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)結(jié)果的影響，進(jìn)行如下試驗。對兩臺工作狀態(tài)進(jìn)口壓力為1.0MPa的熱式氣體質(zhì)量流量計(準(zhǔn)確度等級為1.0級，不同生產(chǎn)商，工作介質(zhì)為氮?dú)猓淹ㄟ^出廠檢驗，未投入使用)進(jìn)行試驗，使其進(jìn)口壓力依次為1.0MPa、0.5MPa、0.2MPa和0.1MPa，即從高壓遞減到常壓。試驗按照J(rèn)JG 1132-2017《熱式氣體質(zhì)量流量計檢定規(guī)程》進(jìn)行，校準(zhǔn)4個流量點(diǎn)，分別為滿量程的50%、20%和10%。為了分析校準(zhǔn)結(jié)果的差異，繪制不同進(jìn)口壓力下的各個流量點(diǎn)校準(zhǔn)示值誤差曲線圖，如圖4所示。

由圖4可以看出，工作狀態(tài)進(jìn)口壓力為1.0MPa的熱式氣體質(zhì)量流量計，在進(jìn)口施加1.0MPa的壓力時，流量計的示值誤差小，且符合準(zhǔn)確度等級1.0級的要求。如果進(jìn)口壓力不夠，會影響熱式氣體質(zhì)量流量計的校準(zhǔn)結(jié)果，進(jìn)口壓力越小，對校準(zhǔn)結(jié)果影響越大。所以，高壓的熱式氣體質(zhì)量流量計，校準(zhǔn)時一定要保證進(jìn)口壓力與使用狀態(tài)一致，可采用圖3所示方法進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 特殊氣體工作狀態(tài)下校準(zhǔn)方法的研究

熱式氣體質(zhì)量流量計出廠時一般都用氮?dú)鈽?biāo)定，實(shí)際使用中如果是其它氣體，可進(jìn)行讀數(shù)修正，乘以流量轉(zhuǎn)換系數(shù)。如果是單組分氣體，其轉(zhuǎn)換系數(shù)可以在產(chǎn)品技術(shù)說明書中查得，如果是多組分氣體，按照式(1)計算其轉(zhuǎn)換系數(shù)C:

式中:ρ———?dú)怏w在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度;

C_P———?dú)怏w的定壓比熱;

N———?dú)怏w分子構(gòu)成系數(shù)(與該氣體分子構(gòu)成的組分有關(guān)，見表1)。

對于混合氣體，有式(2):

式中:ω₁……ω_n———相應(yīng)氣體的流量;

ω_T———混合氣體的流量;

N₁……N_n———相應(yīng)氣體的分子構(gòu)成系數(shù)。

將式(2)代入式(1)中得:

式中:ρ₁……ρ_n—相應(yīng)氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度;

—相應(yīng)氣體的定壓比熱。

為了驗證實(shí)際情況和理論換算結(jié)果是否一致，進(jìn)行不同氣源的比較試驗，氣源分別采用單組分氮?dú)?/span>、單組份氧氣、單組份氬氣和氬氣0.5∶0.5的混合氣體和氬氣0.2∶0.8的混合氣體，試驗中使用A、B兩個廠商的流量計，這些流量計進(jìn)口壓力為常壓，準(zhǔn)確度等級為1.0級，已通過出廠檢驗，未投入使用。試驗得到的實(shí)際轉(zhuǎn)化系數(shù)和計算得到的理論轉(zhuǎn)換系數(shù)如表2所示。

由表2可以看出，實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)與理論轉(zhuǎn)換系數(shù)基本一致，部分情況下仍存在些差異。對于同種氣體介質(zhì)，A廠商和B廠商的熱式氣體質(zhì)量流量計的實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)也存在差異，說明轉(zhuǎn)換系數(shù)與流量計的內(nèi)部制造結(jié)構(gòu)也有關(guān)系。對于單組分氣體介質(zhì)，可以發(fā)現(xiàn)試驗所得的轉(zhuǎn)換系數(shù)與廠商的產(chǎn)品技術(shù)說明書中提供的系數(shù)一致。

實(shí)驗室校準(zhǔn)時，當(dāng)氣體介質(zhì)是單組分氣體時，轉(zhuǎn)換系數(shù)可以直接使用產(chǎn)品技術(shù)說明書中的。當(dāng)氣體介質(zhì)是多組分氣體時，如果使用者對熱式氣體質(zhì)量流量計精度要求一般，可直接使用理論得出的系數(shù)進(jìn)行換算，如果使用者對流量計精度要求較高，建議咨詢制造商，用制造商提供的實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行修正，或者按照本文的方法進(jìn)行試驗得出修正系數(shù)。對于常見的混合氣體介質(zhì)，使用者可參考本文提供的實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)進(jìn)行修正。

4 結(jié)語

綜上所述，本文首先介紹了現(xiàn)有的熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)方法，然后針對特殊工作狀態(tài)下的熱式氣體質(zhì)量流量計，提出了高壓工作狀態(tài)下的流量計校準(zhǔn)方法，比較了不同氣體介質(zhì)下的實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)和理論轉(zhuǎn)換系數(shù)，給出單組份氧氣、單組份氬氣和氬氣0.5∶0.5的混合氣體和氬氣0.2∶0.8的混合氣體的實(shí)際轉(zhuǎn)換系數(shù)，并對特殊氣體狀態(tài)下的hualu/華陸熱式氣體質(zhì)量流量計校準(zhǔn)提出了建議。