Binder公司自行開發(fā)、研制、生產(chǎn)的COMBIMASS系列熱式流量計

    熱式流量計是利用熱學(xué)傳熱原理檢測流量的儀表（利用流體通道內(nèi)或管壁外與加熱體之間的熱量交換關(guān)系來測流量）。20世紀(jì)60年代美國在為宇航業(yè)所需要的氣體提供流量控制時，開發(fā)出了熱式質(zhì)量流量計產(chǎn)品，其后廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)制造設(shè)備上，得到很大發(fā)展，而后又?jǐn)U展到其他工業(yè)領(lǐng)域。

    熱式流量計按檢測元件與熱源間熱交換作用分為熱量傳遞轉(zhuǎn)移效應(yīng)的熱分布式儀表和基于金氏定律的熱擴(kuò)散效應(yīng)侵入式儀表，侵入式儀表結(jié)構(gòu)上又按熱檢測元件進(jìn)入管道的種類分為插入（管道）型和接入（管道）型，熱分布式只有接入管道方式。插入型熱擴(kuò)散效應(yīng)儀表是由一組或多組檢測元件組成的獨立檢測探頭和轉(zhuǎn)換器組成，多組熱檢測元件儀表，通常用于大管徑內(nèi)氣體流量測量，如大型通風(fēng)管道，煙道圓管或矩形管。

    隨著工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的飛躍發(fā)展，流量測量面臨的任務(wù)更加繁重，要求也越來越高。由于物料平衡，熱平衡以及儲存，經(jīng)濟(jì)核算等所需要的都是質(zhì)量而并非體積，所以在測量工作中，常常需要將已測出的體積流量，乘以密度換算成質(zhì)量流量。由于密度是隨著流體的溫度和壓力的變化而變化，在多數(shù)場合下，如果管路確定并保持某個一定的工作狀態(tài)，流體的溫度和壓力的變化較小，則流體的密度變動也較小，可忽略其影響。這種情況下，一般用體積流量測量的方法就可達(dá)到測量目的。而在溫度和壓力變化很大的狀態(tài)下，流體的密度變化大，這使得體積流量測量的方法毫無意義，更談不上準(zhǔn)確性，這時就需要采用精度更高的質(zhì)量測量方法。近年來，直接檢測質(zhì)量流量方法的所謂直接式質(zhì)量流量計已實用化，通常不受介質(zhì)溫度，壓力波動的影響，如孔板、渦街、超聲波等，無需壓力和溫度測量單元，可直接由質(zhì)量流量轉(zhuǎn)換到標(biāo)況流量（Nm3/h），便于用戶的計量核算需求。

圖1 熱擴(kuò)散式測量原理圖

    熱擴(kuò)散式測量原理

    流量傳感器包括兩個熱電阻： 一個是參考探頭，一個是加熱探頭。氣體流過加熱探頭時，會帶走一部分熱量，探頭被冷卻，損失的熱量和質(zhì)量流量成函數(shù)關(guān)系，Q = qM Cp T 。其中：Q= 吸收的熱量，qM=氣體質(zhì)量流量，Cp=氣體的比熱容，T=溫度差。

    該函數(shù)關(guān)系經(jīng)過推導(dǎo)得到：qM=Q/Cp?T。當(dāng)T=常數(shù)時，我們可以得qM=f（Q）的函數(shù)關(guān)系。將加熱探頭與參比探頭之間的溫度差，始終控制在某一定值，檢測需要的加熱電流，從而得到相對應(yīng)的質(zhì)量流量，該工作原理我們稱之為恒溫差原理。流量測量的響應(yīng)時間非?？欤ǔＤ苓_(dá)到幾個毫秒，即使非常高的流速也能進(jìn)行測量，但其對電子器件的質(zhì)量要求非常高，如何精確地控制加熱電流非常關(guān)鍵。另外由于其響應(yīng)速度非?？?，在實際使用過程中通常需要加上一定的阻尼時間，否則流量波動比較大，對外界干擾也比較敏感，如粉塵、雜質(zhì)、冷凝物混在所測量的氣體介質(zhì)內(nèi)。通常這種原理的熱擴(kuò)散式氣體質(zhì)量流量計可用于測試和標(biāo)定裝置上各種干凈氣體的測量以及動態(tài)過程的監(jiān)視。

圖2 熱式流量計

    當(dāng)Q = 常數(shù)時， 我們可以得到qM=f （1/T）的函數(shù)關(guān)系，以恒定的加熱電流作用在加熱探頭上，檢測加熱探頭與參比探頭之間的溫度差，從而得到相對應(yīng)的質(zhì)量流量計，該工作原理我們稱之為恒功率原理。使用熱電阻進(jìn)行溫度差的測量，熱電阻電子元器件的效果非常好，檢測輸出信號穩(wěn)定性好，對外界干擾不敏感，如粉塵、雜質(zhì)、冷凝物混在所測量的氣體介質(zhì)內(nèi)，即使是小流量也能達(dá)到精確測量，如汽車尾氣，煙道氣等，檢測響應(yīng)時間大概是幾秒鐘左右。通常這種原理的熱擴(kuò)散氣體質(zhì)量流量計可用于各種流程工業(yè)測量與控制使用，如化工、石化、電廠、鋼鐵和水處理等。

    COMBIMASS系列熱式流量計

    COMBIMASS系列熱式流量計是由德國Binder公司自行開發(fā)，研制，生產(chǎn)的熱式流量計，有超過40年的為客戶提供現(xiàn)場測量與控制解決方案的專業(yè)經(jīng)驗，特別是在比較困難的工況也能提供特殊的解決方案。Binder公司還可以根據(jù)用戶的現(xiàn)場應(yīng)用要求，提供恒溫差或者恒功率兩種原理的熱擴(kuò)散式氣體質(zhì)量流量計。

圖3 實驗室標(biāo)定。

    COMBIMASS流量計的優(yōu)點

    對不同工況選擇合適的傳感器是精確氣體流量測量的關(guān)鍵，Binder公司的傳感器使用一根棒材加工而成，無焊接點，保證了良好的使用壽命。因為一般工業(yè)儀表在實際現(xiàn)場使用過程中，與測量介質(zhì)接觸部件受到損壞通常是在焊接點處最先遭到破壞。傳感器部件幾乎無壓力損失，不會產(chǎn)生衛(wèi)生死角，堵塞等情況，影響到傳感器信號的采樣。高精度的熱電阻，采樣信號優(yōu)異的長期穩(wěn)定性，信號漂移很小。與介質(zhì)接觸部件的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)配置為不銹鋼，可根據(jù)介質(zhì)的情況提供多種選擇，如：哈氏合金、鉭、因康鎳合金等，也可根據(jù)用戶的工況條件特殊定制。電子器件機(jī)殼使用全不銹鋼，即使在惡劣的環(huán)境下，也能保證良好的耐環(huán)境腐蝕性。可選購特殊設(shè)計的不銹鋼壓緊部件過程接口，該過程接口經(jīng)過特殊設(shè)計，可保證從管道上多次拆卸流量計不會損壞。根據(jù)不同介質(zhì)的情況選擇不同類型的 COMBIMASS系列流量計，最高介質(zhì)溫度可達(dá)800℃，最高壓力可達(dá)100 bar，量程比寬，最高可達(dá)1000:1，最大流速可達(dá)400 Nm/s。

    多種測量方案

    Binder公司可以根據(jù)用戶實際現(xiàn)場工況和測量要求提供單點測量，單點特殊測量，多點測量等解決方案。單點測量就是直接使用單臺流量計測量管道中的實際氣體流量。單點特殊測量是組合使用COMBIMASS流量計和COMBIMASS master控制器，主要針對有特殊需求的應(yīng)用要求，將流量計信號接入到控制器，該控制器帶有輸入/輸出通道，用于控制需求，具有數(shù)據(jù)記錄、分析、診斷和顯示功能。多點測量主要應(yīng)用大管道的流量測量，將分布在管道截面上的多個流量計信號接入COMBIMASS multi控制器進(jìn)行處理，得到一個精確的流量值，該控制器帶有多個輸入/輸出通道，用于控制需求，具有數(shù)據(jù)記錄、分析、診斷和顯示功能。

圖4 流動調(diào)整器

    CAMASS特殊標(biāo)定技術(shù)

    Binder公司的每臺流量計出廠前將在CAMASS標(biāo)定中心進(jìn)行測試標(biāo)定，模擬實際被測量介質(zhì)成分、壓力、溫度和流量范圍。

    通常熱擴(kuò)散流量計如果計入流通通道面積測量誤差，速度分布系數(shù)變化等不確定因素，綜合在一起測量誤差大約在2.5%~5%的滿量程值之間，所以該類型儀表只有經(jīng)實流標(biāo)定后，能達(dá)到較高的精確度。在現(xiàn)場安裝條件下校準(zhǔn)，或在相同于現(xiàn)場安裝條件的擾動阻流件與儀表一起，在實驗室實流校驗裝置上校準(zhǔn)。

    Binder公司的CAMASS標(biāo)定中心也可以提供特殊標(biāo)定，模擬現(xiàn)場的安裝條件，如管道現(xiàn)場安裝情況，可以補(bǔ)償由于管道布置導(dǎo)致流態(tài)的失真對流量測量的影響，這樣現(xiàn)場直管段不足導(dǎo)致管道流態(tài)不規(guī)則的情況，也能保證精確測量。

    流動調(diào)整器

    流量計上游的擾動源有螺旋式焊縫管和各類阻流管件（如彎管、異徑管、支管和閥），產(chǎn)生的漩渦或脈動流，在各類管件中遇到最多的是彎管和各種彎管組合（如同平面雙彎管和立體雙彎管），各類流量儀表對上游流動擾動的敏感程度不一，因此要提出各自的安裝要求。

    Binder公司針對流量計上游的流態(tài)不規(guī)則，現(xiàn)場前后直管段無法達(dá)到理想要求，提供另外一種解決方案是在流量計前安裝流態(tài)調(diào)整器，可以調(diào)整管道中氣體的流動分布，幾乎無壓力損失，安裝該設(shè)備通常流量計前后直管段只要3~7D左右。設(shè)備經(jīng)久耐用，可以有效保證流量測量精度。

圖5 任何時候熱式流量計都能顯示正確的質(zhì)量流量，因為通過一個熱傳遞傳感器補(bǔ)償了氣體組分變化的影響。

    特殊應(yīng)用案例

    變組分氣體測量

    變組分氣體的流量測量一直是流量測量方面的難點，特別是該混合氣體中含有H2成分。H2組分有變化時，對熱式流量計測量影響非常大。

    如火炬氣流速通常極低，在低流量時的典型流速范圍為0.01~15m/s，而事故時，短時間內(nèi)火炬氣流速能達(dá)到60m/s，因此，測量流量計需要很高的量程比；火炬氣組分包括不同的碳?xì)浠衔?、H2、H2S、CO2、N2等，每種氣體的相對百分比也在持續(xù)變化，從而決定了火炬氣的平均分子量及密度也不斷變化；火炬氣系統(tǒng)的操作壓力極低，經(jīng)常只有幾毫巴；火炬氣主管線的管徑很大，一般直徑在500mm以上；非插入式測量儀表測量和安裝都非常困難；火炬氣中的油脂和污物較多，容易使傳感元件結(jié)垢和堵塞，因此帶小孔和活動的傳感元件的應(yīng)用受到限制；火炬氣的溫度變化范圍很大，從零下幾十度的低溫到三、四百度的高溫變化。

    火炬氣的質(zhì)量流量較體積流量更有實用價值；而對測量質(zhì)量流量來說，某些如渦輪流量計等測量體積流量的儀表從原理上便無法滿足；從理論上講， 差壓或渦街流量計如加上溫壓補(bǔ)償可以測量質(zhì)量流量，但對實際生產(chǎn)中的火炬氣來說確定補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)點是非常難的，或者說根本沒有基準(zhǔn)點。

    Binder公司研發(fā)了針對這種特殊工況應(yīng)用的解決方案，在管道上安裝了2臺熱式流量計，2臺流量計信號接入到1個專用的控制器內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)的補(bǔ)償和處理，可以顯示和輸出經(jīng)過補(bǔ)償后的氣體流量。2臺流量計在管道上安裝位置的間距特殊定義，在出廠前流量標(biāo)定時按照此安裝位置進(jìn)行實際工況氣體標(biāo)定，其中1 臺熱式流量計用于流量的測量，另外1臺流量計用于檢測氣體組分變化，特別是H2組分變化對流量測量的影響，該補(bǔ)償?shù)?a href="http://j3l.com.cn" target="_blank" class="autolink">流量計安裝在管道上人為制造的一個零流量區(qū)域，主要測量氣體組分變化導(dǎo)致比熱容變化Cp影響的氣體流量讀數(shù)。

    沼氣測量

    沼氣是一種混合氣體，其中主要成分是甲烷，占總氣體體積的50%~70%，其次是CO2占30%~40%，除此以外，含有少量的氮、氫、氧、氨、CO和H2S氣體，甲烷、氨和CO是可燃?xì)怏w。其特殊性在于多組分氣體，含量容易變化，潮濕，有腐蝕性，含固體顆粒。

    用于沼氣，污水處理廠消化氣，垃圾填埋廠掩埋氣體的穩(wěn)定，精確和有效的沼氣測量系統(tǒng)的市場需求逐漸增多，由于沼氣當(dāng)中的氣體組分一直變化，所以集成氣體成分分析的流量測量系統(tǒng)具有巨大的市場潛力，可以保證有效的精確測量，甚至是在變化的工況條件下。

    對于最先進(jìn)的沼氣系統(tǒng)來說，如果沒有精確的在線流量測量和成分分析技術(shù)，很難實現(xiàn)沼氣系統(tǒng)運行經(jīng)濟(jì)有效和環(huán)保，在發(fā)酵的每個階段有必要知道沼氣的成份和質(zhì)量。Binder公司可提供氣體分析和流量測量系統(tǒng)，移動站式操作，用于沼氣，污水處理廠消化氣，垃圾填埋廠掩埋氣體的成分和質(zhì)量分析。