—種新穎型的氣體質量流量計

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—種新穎型的氣體質量流量計

質量流量計原理圖流量計各繞組與周圍環境間的總傳熱系數

邢士峰  黃國雄  李承烈(華東化工學院)

    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,所以常發生較大的計量誤差。如工作壓力經常變動,更使計量發生困難。

    氣體質量流量計的主要特點是不受溫度與壓力變動的影響,其顯示讀數直接指示氣體的質員流量。它具有一系列優點:

1.         在常壓、高壓或負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,既能用于實驗室內小流量的場所也可用于工廠生產中的大型裝置。

4.         流量計的阻力降極微。

5.         抗介質腐蝕的能力強。

6.         計量精度高。

7.         輸出電訊號,可遠傳顯示,還便于與其他儀表配合后實現流量記錄.自控或累計。

質量流量計是一種熱導式儀表早在本世紀初,托馬斯(Thomas)提出了它的原型,后幾經變革慚趨完善。目前許多國家有這類流星計的工業產品,廠泛應用于各個工業生產及科學實驗的領域。雖具體結構各有差異,但其原理是基本一致的。我國自1976年以來,也已有幾種產品陸續間世,較多地應用于原子能工業及半導體制造工業。我們曾用于80大氣壓微型催化反應裝置中計量氫氣流量,己取得了成功的經驗。若能把它推廣應用于石油、化工業的各個方面必將收到良好的效益。

 

質量流量計原理圖

    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,相互聯接組成惠斯頓電橋(見下圖),其守橋留繞組l與繞組3分內、外兩層平繞于管了左側(上游),繞組2與6則同樣地繞于管子的右側(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,沿金屆導管軸向形成一個對稱分布的溫度場(圖中實線所示)。當氣體流經導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量流量與氣體比熱的乘積,可簡單地表達為:

式中:E一輸出訊號    k一比例常數

    Cp一氣體比熱(定壓)  M一氣體的質量流量

A一流量計各繞組與周圍環境間的總傳熱系數

    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量流量。認為與壓力的大小無關。在實用中,因難于計量氣體的質量來標定儀表故常以換算成標準狀態下(760毫米汞柱、0℃或760毫米汞柱、20℃)的氣體體積(用“標升”或標立米”表示)來標稱氣體的質量。

根據這種儀表的原理、性能,結合我們的使用經驗及測試情況下面幾個方面值得注意:

1.當儀表的工作條件變換時(如變更介質、環境溫度大幅度變化等),對儀表的零位應重新加以調整。同時,儀表的導管必須水平安裝,要用水平儀校準。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.對相當于0—100kg/cm2壓力、0~7標升/小時流量(空氣)范圍內的大量測試數據進行關聯運算,用最小二乘法原理求直線回歸方程,其相關系數λ值均在0.999~0.9999范圍內,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,非線性越嚴重,所以一般把量程限定在0~4標升/時(空氣)以內,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,量程可分別擴大到每小時幾十、幾百、幾千標升,直至幾萬標立方。

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(見表2)。

4.導管材質的選擇,除了考慮耐腐蝕性以外,以選用導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標升/小時流量的范圍內測試,用鎳管的測量精度為2~2.5%而用不銹鋼的則為3~4%(鎳的導熱系數約為不銹鋼的三倍)。

5.由于這類儀表必須在氣體比熱相對穩定的情況下才能進行正常工作所以凡是氣體成分不穩定、氣體中央帶霧沫以及工作條件逼近氣體的液化臨界區等情況由于比熱值很不穩定,均不宜使用這種儀表。如乙烯液化的臨界點是50 kg/cm2、9.9℃,在測試時發現壓力超過30 kg/cm2時,儀表讀數就開始失穩了。

6.若改換了一種氣體介質,最好重新進行標定。在儀表的說明書里,常介紹不重新標定,而僅根據兩種氣體的比熱來換算未經標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,我們發現儀表的靈敏度并不完全與比熱成正比關表,更以重新標定為妥。

7.本儀表在使用前必須先開機預熱,在未充分預熱前,儀表上作不穩定。比較好的機型,其開機預熱時間在兩小時以內。

8.在使用過程中,當氣體流量突然改變時,須通過熱量的傳送,管內溫度重新分布,所以輸出訊號的重新穩定需要一定的時間。為了能減小這種滯后現象,制造廠常在儀表的電氣線路中加設微分網絡,以使輸出訊號快速反應。這在與其他儀表配合作流量自控時尤為必要。

表1  氣體的定壓比熱(卡/標升℃)

表2  儀表的測量精度(%)

 

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