熱式氣體質(zhì)量流量計在工業(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，但經(jīng)過多年使用這種流量計的缺點(diǎn)就凸現(xiàn)出來。由于除塵管道流量計管徑龐大，加之維修校驗不便 ，在管道中200米高的大煙筒巨大的抽力對孔板的表面產(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，容易污染流量計的傳感器部分 。 針對上述特點(diǎn)，我們在反復(fù)試驗的基礎(chǔ)之上采用了比較先進(jìn)的大管徑插入式熱式氣體量流 量計來檢測大管徑廢氣流量。
2 熱式質(zhì)量流量計的歷史和發(fā)展
熱式質(zhì)量流量計是利用加熱時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，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，它克服了接觸式流量計的缺點(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，正是在這些流量計的基礎(chǔ)之上，人們又設(shè)計了一種插入式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)量流量計使用不銹鋼傳感探頭，因此就增加了其準(zhǔn)確性、堅固性 、可靠性。它有兩個探頭伸入到被測氣體中，一個速度傳感器用來檢測質(zhì)量P，一個自動修正溫度變化的溫度傳感器用來檢測氣體溫度T，這兩個探頭使用參考級甘溫元件——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)級鉑熱電阻(RTD)的鉑絲纏繞在一套磁芯棒上插入到一個堅固的不銹鋼套筒中，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的氣體對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個等面積環(huán)，在每個等面積環(huán)的質(zhì)心設(shè)置一個熱式質(zhì)量流速。
4 電子設(shè)備供電電路TMF系列有兩個傳感器，一個是速度傳感器，個是溫度傳感器。測量時，傳感探頭插入流體中，感受流體的流速和溫度。它們同時是電子組件橋路的兩上橋臂，形成一個不平衡電橋。通電時，橋臂電流將速度傳感器加熱到高于溫度T一個溫差△T的T，T—TlI=△T。不平衡電橋就變成平衡電橋。此時電橋便輸出一個對應(yīng)零流量的電壓， 經(jīng)放大電路處理，輸出流量計的下限信號4mA；瞬時流量顯示為000；且累積流量無累積動作發(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，根據(jù)熱傳導(dǎo)原理，將會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)時的溫度T。這時橋路便輸出一個正比于流量大小的電壓信號。經(jīng)電路放大、線性化處理，使輸出與流量成 正比的 ~20mh之間的一個電流信號、瞬時流量顯示為直到最大刻度流量的一個值 、累積動作將以與瞬時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 熱的速度傳感器時所帶走的熱量Q，與對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)量流量計在各項性能 指標(biāo)有很大的優(yōu)勢，因此它是差壓式流量計的替代品。氣體流量計根據(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，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)量流量計已發(fā)揮了巨大的作用 。從使用熱式氣體質(zhì)量流量計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 。
