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流量计 |
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—种新颖型的流量计--气体质量流量计 |
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作者：华东化工学院 邢士峰 黄国雄 李承烈 |
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目前所用各种型式的气体流量计，绝大部分是计量气体的体积流量。由于气体的体积随温度与压力的不同而变动，所以常发生较大的计量误差。如工作压力经常变动，更使计量发生困难。
气体质量流量计的主要特点是不受温度与压力变动的影响，其显示读数直接指示气体的质员流量。它具有一系列优点：
1. 在常压、高压或负压的条件下均可选用。
2. 可在常温、100度，甚至又高的温度下正常运行。
3. 适用的量程范围宽，既能用于实验室内小流量的场所也可用于工厂生产中的大型装置。
4. 流量计的阻力降极微。
5. 抗介质腐蚀的能力强。
6. 计量精度高。
7.输出电讯号，可远传显示，还便于与其他仪表配合后实现流量记录．自控或累计。
质量流量计是一种热导式仪表早在本世纪初，托马斯(Thomas)提出了它的原型，后几经变革惭趋完善。目前许多国家有这类流星计的工业产品，厂泛应用于各个工业生产及科学实验的领域。虽具体结构各有差异，但其原理是基本一致的。我国自1976年以来，也已有几种产品陆续间世，较多地应用于原子能工业及半导体制造工业。我们曾用于80大气压微型催化反应装置中计量氢气流量，己取得了成功的经验。若能把它推广应用于石油、化工业的各个方面必将收到良好的效益。
质量流量计原理图
这种流量计的基本原理是在一很小直径(4毫米)的薄壁金属管(常用不绣钢、纯镍或蒙乃尔台金等耐蚀合金)的外壁，对称绕上四组电阻丝，相互联接组成惠斯顿电桥(见下图)，其守桥留绕组l与绕组3分内、外两层平绕于管了左侧(上游)，绕组2与6则同样地绕于管子的右侧(下游)。如图接上值电流的直流电源后，电流通过绕组而致升温，沿金届导管轴向形成一个对称分布的温度场(图中实线所示)。当气体流经导管时因气体吸热而使上游管壁温度下降，通过下游时气体放热，管壁温度上升，导致了温度场的变异，即温度最高点位置向右偏移(图中虚线所示)。电阻丝采用电阻温度系数较大的材料能灵敏地反映温度的变化而使电桥失去平衡。最后，将电桥的不平衡电压讯号放大或者转换成电流讯号。从理仑上来说这输出讯号的大小正比于气体的质量流量与气体比热的乘积，可简单地表达为：
式中：E一输出讯号 k一比例常数
Cp一气体比热(定压) M一气体的质量流量
A一流量计各绕组与周围环境间的总传热系数
就理想气体而言，气体的比热是不随压力而变化的常值，所以输出讯号仅与气体的质量流量成正。一般的真实气体其比热受压力影响的变动幅度很小故仍可用输出讯号直接代表质量流量。认为与压力的大小无关。在实用中，因难于计量气体的质量来标定仪表故常以换算成标准状态下(760毫米汞柱、0℃或760毫米汞柱、20℃)的气体体积(用“标升”或标立米”表示)来标称气体的质量。
根据这种仪表的原理、性能，结合我们的使用经验及测试情况下面几个方面值得注意：
1．当仪表的工作条件变换时(如变更介质、环境温度大幅度变化等)，对仪表的零位应重新加以调整。同时，仪表的导管必须水平安装，要用水平仪校准。否则将增大工作条件变化对零位漂移的影响。机架更不可有震动或摇摆等情况故不宜在船舶上使用。
2．对相当于0—100kg/cm2压力、0～7标升/小时流量(空气)范围内的大量测试数据进行关联运算，用最小二乘法原理求直线回归方程，其相关系数λ值均在0.999～0.9999范围内，证明仪表具有良好的线性度。但线性度与量程大小有着流量越大，非线性越严重，所以一般把量程限定在0～4标升/时(空气)以内，以确保良好的线性度。为了能测量大流量而又保证线性度，可采用分流原理来扩展仪表的量程。如采取旁路管、文丘利管、孔板等配合使用，量程可分别扩大到每小时几十、几百、几千标升，直至几万标立方。
3．虽然真实气体的比热随压力的不同而有变化甚至某些气体的变动幅度还比较大(见表1)，但仪表的测量精度仍能保持桂一定范围内(见表2)。表1 气体的定压比热(卡/标升℃)
 表2 仪表的测量精度（％）
 4．导管材质的选择，除了考虑耐腐蚀性以外，以选用导热性能较好的材料为佳。以测目氮气为例，同样在0—100kg/cm2压力及0～7标升/小时流量的范围内测试，用镍管的测量精度为2～2.5％而用不锈钢的则为3～4％(镍的导热系数约为不锈钢的三倍)。
5．由于这类仪表必须在气体比热相对稳定的情况下才能进行正常工作所以凡是气体成分不稳定、气体中央带雾沫以及工作条件逼近气体的液化临界区等情况由于比热值很不稳定，均不宜使用这种仪表。如乙烯液化的临界点是50 kg/cm2、9.9℃，在测试时发现压力超过30 kg/cm2时，仪表读数就开始失稳了。
6．若改换了一种气体介质，最好重新进行标定。在仪表的说明书里，常介绍不重新标定，而仅根据两种气体的比热来换算未经标定的气体流量虽简单方便，但会造成较大的误差，尤其是在高压下工作时，我们发现仪表的灵敏度并不完全与比热成正比关表，更以重新标定为妥。
7．本仪表在使用前必须先开机预热，在未充分预热前，仪表上作不稳定。比较好的机型，其开机预热时间在两小时以内。
8．在使用过程中，当气体流量突然改变时，须通过热量的传送，管内温度重新分布，所以输出讯号的重新稳定需要一定的时间。为了能减小这种滞后现象，制造厂常在仪表的电气线路中加设微分网络，以使输出讯号快速反应。这在与其他仪表配合作流量自控时尤为必要。(end)
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(12/9/2004) |
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