熱式氣體質(zhì)量流量計知識講座

熱式氣體質(zhì)量流量計

 

第一節 概述

 

目前廣泛應用的流量計大部分都能測量體積流量。由于流體的體積大小受其溫度、壓力等參數的影響，當被測流體的溫度、壓力變化時(shí)，應把所測量的體積流量換算成標準狀態(tài)或某一約定狀態(tài)下的相應值。但實(shí)際上當溫度、壓力頻繁變化時(shí)，進(jìn)行及時(shí)的換算是很困難的，有時(shí)是不可能完成的。因此，希望用質(zhì)量流量計來(lái)測量氣體。另外，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，由于要對產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量控制、對生產(chǎn)過(guò)程中各種物料混合比率進(jìn)行測定、成本核算以及對生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調節等，也必須采用質(zhì)量流量計。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展和自動(dòng)化水平的提高，使得質(zhì)量流量測量技術(shù)日益重要。

體積流量qv和質(zhì)量流量qm之間的關(guān)系是

式中：

p——被測流體的密度， kg/m³；

A ——流體的流通截面(一般為管道的流通截面)， m²；

V——流通截面A處的平均流速。 m/s。

質(zhì)量流量計分間接式(推導式)和直接式兩類(lèi)。間接式質(zhì)量流量計或推導式質(zhì)量流量計必須先測量體積流量再乘被測流體的密度，通過(guò)密度計和乘法器實(shí)現。密度計由于結構和元件特性的限制，在高溫、高壓下尚不能運用，只能采用固定的密度數值乘體積流量。眾所周知，介質(zhì)密度隨著(zhù)壓力、溫度的變化而異，在變動(dòng)工況下采用固定的密度值將帶來(lái)較大的質(zhì)量流量測量誤差，故必須進(jìn)行參數補償，因此研制了溫度、壓力補償式流量計。檢測出被測流體的溫度、壓力，然后按一定的數學(xué)模型自動(dòng)換算出相應的密度值，得到密度值與體積流量值的乘積便可實(shí)現質(zhì)量流量測量，故稱(chēng)為溫度、壓力補償式質(zhì)量流量計。溫度、壓力補償式質(zhì)量流量計是當前工業(yè)上普遍應用的一種推導式質(zhì)量流量計的特殊形式。

直接檢測與質(zhì)量流量有關(guān)的量來(lái)反映質(zhì)量流量大小的流量計稱(chēng)為直接式質(zhì)量流量計。研制直接式質(zhì)量流量計，目的在于使代表質(zhì)量流量的輸出信號與被測介質(zhì)的壓力、溫度等參數無(wú)關(guān)，以解決當介質(zhì)參數變化范圍很大、密度和溫度、壓力之間的關(guān)系不能看成線(xiàn)性，而采用溫度、壓力自動(dòng)補償方式又很困難和繁瑣的問(wèn)題。

直接式質(zhì)量流量計，是由檢測元件直接反映質(zhì)量流量的儀表，目前已利用不同原理開(kāi)發(fā)出多種類(lèi)型，如動(dòng)量及動(dòng)量矩式、慣性力式、科里奧利力式、差壓式、振動(dòng)式、熱式等。

目前常見(jiàn)的直接式質(zhì)量流量計有雙渦輪質(zhì)量流量計、動(dòng)量短式質(zhì)量流量計、慣性力式質(zhì)量流量計、科里奧利式質(zhì)量流量計以及熱式質(zhì)量流量計等。

動(dòng)量矩式和慣性力式質(zhì)量流量計是根據牛頓第二定律的原理制作的，從力學(xué)角度來(lái)說(shuō)，質(zhì)量是物體慣性的量度，物體受外力作用，運動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，其變化量的大小與質(zhì)量有關(guān)。測量運動(dòng)狀態(tài)對時(shí)間的變化率；即可測得質(zhì)量流量，據此可以創(chuàng )造多種結構的質(zhì)量流量計。動(dòng)量矩式質(zhì)量流量計是用流體動(dòng)量矩的變化反映質(zhì)量流量的。而慣性方式質(zhì)量流量計一般是利用被測流體流經(jīng)以等速轉功的可動(dòng)測量管件時(shí)，得到一個(gè)附加加速度，從而可動(dòng)管件管壁受到流體給的與加速度反方向的慣性力，此慣性力與質(zhì)量流量成比例，由測量慣性力或慣性力矩可測得質(zhì)量流量。與雙渦輪質(zhì)量流量計相比較，動(dòng)量矩和慣性力式質(zhì)量流量計都需要外能源才能工作。

科里奧利式質(zhì)量流量計是通過(guò)測量科里奧利力的變化來(lái)反映質(zhì)量流量大小的。所謂科里奧利力是指，處于勻角速度轉動(dòng)參照系中的運動(dòng)物體，對在轉動(dòng)參照系中的觀(guān)察者看來(lái)，該物體除了要附加慣性離心力的作用外，還要附加另外一種慣性力的作用才能利用牛頓第二定律來(lái)描述物體的運動(dòng)狀態(tài)，這種力就是科里奧利力，簡(jiǎn)稱(chēng)科氏力。例如以一個(gè)圓盤(pán)為轉動(dòng)參照系，若圓盤(pán)繞中心軸轉動(dòng)，其角速度為 ，設一物體由旋轉中心沿圓盤(pán)半徑以速度v相對于圓盤(pán)作勻速直線(xiàn)運動(dòng)，則該物體除了受慣性離心力外，還受到科里奧利力的作用，科氏力的大小決定于圓盤(pán)的角速度司和物體的徑向速度v。設科氏力以?c表示，則其表達式為

?c=2mv （5-3）

式中：m——運動(dòng)物體的質(zhì)量；

v——物體在轉動(dòng)參照系中的運動(dòng)速度；

——轉動(dòng)參照系的角速度。

如上所述，科里奧利力的存在是以徑向速度v和轉動(dòng)角速度同時(shí)存在為先決條件的，任一速度為零，都不會(huì )產(chǎn)生科里奧利力。

由式(5-3)可以看出，當轉動(dòng)角速度一定時(shí)，科氏力?c正比于物體的質(zhì)量與速度之積m ?這正是利用科里奧利力測量質(zhì)量流量的最原始的理論依據。在流量測量中，使被測流體以某流速v流過(guò)以角速度轉動(dòng)的可動(dòng)管件，以達到v與同時(shí)存在的條件，此可動(dòng)管件稱(chēng)之謂流量測量管。測量管可以用旋轉方式或周期振動(dòng)方式來(lái)實(shí)現所需的值。當流體流過(guò)測量管時(shí)，相當于流過(guò)角速度以一定周期變化方向的旋轉式測量管，同樣會(huì )產(chǎn)生科氏效應，而在結構上相對比較簡(jiǎn)單。

為了求出科里奧利力與質(zhì)量流量的關(guān)系式，以振動(dòng)式單U形管結構為例，如圖5-1所示。測量管在電磁驅動(dòng)系統驅動(dòng)下以固有振動(dòng)頻率作周期性上下振動(dòng)。當流體流過(guò)振動(dòng)管時(shí)，流體被強制接受管子的垂直動(dòng)量。以管子向上運動(dòng)的振動(dòng)半周期為例，設其角速度為，則U形管流入側受到的科里奧利力為

?c=2mv （5-4）

式中： m——測量管中流體的質(zhì)量， kg；

U——被測流體流速，m/s；

——測量管向上方運動(dòng)的角速度，rad/s。

質(zhì)量流量qm與科里奧利力?c成正比。當測量管的結構及其振動(dòng)的驅動(dòng)系統確定后，K則為己知常量，測量科氏力 ?c即可求得質(zhì)量流量qm，同理，若分析測量管向下運動(dòng)的振動(dòng)半周期或流出側管內的流體時(shí)，也會(huì )得到同樣的結論。

采用不同的方法測量科氏力?c，以及選擇不同形式的測量管結構和用不同的方式使測量管獲得需要的轉動(dòng)角速度，可以制成多種類(lèi)型的科里奧利力質(zhì)量流量計，一般應用于液體流量測量。

熱式質(zhì)量流量計也是目前發(fā)展較快的一種直接式質(zhì)量流量計，它的基本原理是，利用外熱源對被測流體加熱，測量因流體流動(dòng)造成的溫度場(chǎng)變化來(lái)反映質(zhì)量流量。溫度場(chǎng)的變化用加熱器前后端的溫差來(lái)表示。被測流體的質(zhì)量流量qm與加熱器前后端溫差Δt之間的關(guān)系是

式中：

p——加熱器的功率；

J——熱功當量；

C_p——被測流體的定壓比熱；

Δt——加熱器前后端的溫度差。

由上式可知，若采用恒定功率法，則溫差Δt與質(zhì)量流量qm成反比，測得溫差Δt即可求得qm假若采用恒定溫差法，則加熱器輸入功率P與質(zhì)量流量成正比，測得加熱器輸入功率P則可求得qm值。在使用上，恒定溫差法，無(wú)論從特性關(guān)系或實(shí)現測量的手段看都較恒定功率法簡(jiǎn)單，從功率表上讀出P值即可得到qm值，因而應用廣泛。

熱式質(zhì)量流量計根據熱源及測溫方式的不同可分為接觸式和非接觸式兩種。

1.接觸式熱式質(zhì)量流量計

這種質(zhì)量流量計的加熱元件和測溫元件都置于被測流體的管道內，與流體直接接觸，常被稱(chēng)為托馬斯流量計，適于測量氣體的較大質(zhì)量流量。其結構原理如圖5-2所示。由于加熱及測量元件與被測流體直接接觸，因此元件易受流體腐蝕和磨損，影響儀表的測量靈敏度和使用壽命。測量高流速、有腐蝕性的流體時(shí)不宜選用，這是接觸式的缺點(diǎn)。

2.非接觸式熱式質(zhì)量流量計

這種流量計的加熱及測溫元件都置于流體管道外，與被測流體不直接接觸，克服了接觸式的缺點(diǎn)。熱式微流量計(是非接觸式質(zhì)量流量計的典型結構)如圖5-3所示。儀表的測量導管，為薄壁小口徑鎳管，鎳管外部?jì)蓚壤p繞鉑電阻絲3、5作為測溫線(xiàn)圈，并作為測量電橋的兩臂R₁、R₂。兩測溫線(xiàn)圈的中間纏繞著(zhù)錳銅絲加熱線(xiàn)圈4，作為儀表的加熱器。當流體靜止時(shí)，由于測溫線(xiàn)圈對稱(chēng)地安裝在加熱器兩側且阻值相等(各100Ω左右)，因此測量電橋處于平衡狀態(tài)。但當流體在鎮管中流經(jīng)測溫電阻時(shí)，就破壞了加熱器的溫度場(chǎng)，兩測溫線(xiàn)圈處于不同的溫度場(chǎng)內，因而引起電阻值發(fā)生變化。兩測溫線(xiàn)圈阻值不等，破壞了電橋的平衡。根據電橋平衡原理，由檢流計8測得電阻值的變化，即可求得質(zhì)量流量qm。

熱式微流量計適用于測量液體和氣體的微小質(zhì)量流量�？蓽y(0~100)cm³/h的微小液體流量和10L/h左右的微小氣體流量。

為了使結構簡(jiǎn)化，有些產(chǎn)品取消了加熱器，只用兩只測量電阻，既作加熱元件又作為測溫元件。這種設計，由于熱慣性的原因，儀表反映速度比較慢，靈敏度較低；被測流體溫度變化影響儀表指示的準確度。

為了提高非接觸熱式質(zhì)量流量計的流量測量范圍，設計了一種邊界層質(zhì)量流量計，它利用測量流體靠近管壁的邊界層的熱傳導來(lái)反映流量的大小。用這種方式測量流量，一般是利用控制管外壁的加熱器給出的熱量來(lái)保持邊界層內外溫差恒定，然后根據熱量測量反映質(zhì)量流量。

熱式質(zhì)量流量計目前發(fā)展較快的有：熱線(xiàn)質(zhì)量流量計、邊界層質(zhì)量流量計、分流式熱毛細管質(zhì)量流量計以及用IC基板技術(shù)的熱式質(zhì)量流量計等。

量熱式氣體質(zhì)量流量計專(zhuān)用于單一組分的氣體或固定比例的混合氣體測量，目前已廣泛應用于石油、化工、半導體、醫療儀器、生物工程、燃燒控制、配氣、環(huán)境監測、精密儀器、科研、計量、食品、冶金、航天航空等領(lǐng)域。

質(zhì)量流量計和質(zhì)量流量控制器專(zhuān)門(mén)用于精密測量和自動(dòng)控制氣體的質(zhì)量流量。采用標準輸入輸出信號，可實(shí)現計算機集中控制。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)使用傳統的流量計，需配置溫度、壓力變送器，并進(jìn)行溫度、壓力的補償才能換算成標準狀態(tài)下的體積流量。質(zhì)量流量計無(wú)需進(jìn)行換算，直接測量質(zhì)量流量(標準狀態(tài)0℃，101.325kPa)。

(2)如果氣體作為生產(chǎn)過(guò)程中的控制變量(例如燃燒、化學(xué)反應、通風(fēng)排氣、產(chǎn)品烘干等)，使用質(zhì)量流量控制器直接測量，可控制氣體的物質(zhì)的量。

(3)如果要保持定量的氣體混合作為混料或配料，或者要優(yōu)化化學(xué)反應過(guò)程，到目前為止還沒(méi)有比使用質(zhì)量流量控制器更好的技術(shù)。質(zhì)量流量控制器連續可調控制流量，通過(guò)顯示儀還可獲得累積流量。

(4)質(zhì)量流量計還是管道系統、閥門(mén)類(lèi)密封性檢測的較好儀器，它直接顯示漏氣量。質(zhì)量流量計性能價(jià)格比高，易于安裝，操作簡(jiǎn)便。

 

第二節 熱式質(zhì)量流量計

 

利用氣體的流動(dòng)帶走熱量來(lái)進(jìn)行流量測量的方法已廣為人知。其代表性產(chǎn)品是熱線(xiàn)式風(fēng)速計。熱線(xiàn)式風(fēng)速計日前已得到廣泛的運用，包括固定式和便攜式。

本節主要針對目前在工業(yè)制造工序中使用最多的旁通毛細管(分流毛細管)加熱型以及最近幾年來(lái)被大力開(kāi)發(fā)的流量傳感器型進(jìn)行說(shuō)明。

一、熱式質(zhì)量流量計的特點(diǎn)

(一)可進(jìn)行流量測量

在燃氣流量測量、工藝氣體輸入量控制等方面，有時(shí)需要以質(zhì)量流量來(lái)測量流量。容積式流量計、孔板式流量計可以測量流體的體積流量。但是，由于眾所周知的波義耳查理法則，氣體的體積將隨著(zhù)溫度、壓力條件的變化而變化，因此必須根據測量時(shí)的溫度、壓力條件進(jìn)行修正，換算為質(zhì)量流量。與此相對應，我們把不受測量條件影響，直接測量質(zhì)量流量的流量計稱(chēng)為質(zhì)量流量計。熱式流量計利用管路壁面的強制熱傳遞與管內的質(zhì)量流量大致成正比的性質(zhì)來(lái)測量質(zhì)量流量。另外，在原理上，質(zhì)量流量計的測量單位是"質(zhì)量/時(shí)間"，流體為氣體的情況下，為方便起見(jiàn)，常使用"標準狀態(tài)體積/時(shí)間"。

氣體的質(zhì)量流量的可測量性，對于制造工序、研究用途中的使用是非常方便的。

質(zhì)量流量計的其他常見(jiàn)方式還有科里奧利式流量計。

(二)沒(méi)有可動(dòng)部件

沒(méi)有旋轉部之類(lèi)的可動(dòng)部件，因此不會(huì )產(chǎn)生機械性磨損，無(wú)須維護。

(三)響應性快速

可測量瞬時(shí)流量，而且響應性很快；旁通毛細管加熱型為數百毫秒、流量傳感器(MEMS)型為數毫秒。

(四)流量范圍很寬

有最大測量流量和最小測量流量之比為50：1的產(chǎn)品、也有100：1的產(chǎn)品，與其他的流量計相比，具有非常寬的測量范圍。(株)山武已開(kāi)發(fā)和銷(xiāo)售測量范圍為1280：1的流量計。另外，目前正在開(kāi)發(fā)具有3000：1測量范圍的產(chǎn)品。

二、測量原理和結構

(一)旁通毛細管(分流毛細管)加熱型

在Φ(0.2~0.4)mm的不銹鋼管周?chē)�裝設高分子的絕緣膜，并纏繞鐵鎳線(xiàn)加熱器兼溫度傳感器。加熱器和不銹鋼管之間用高分子膜加以電氣絕緣。以纏繞了這種傳感器的流路為傳感器流路，在主流路中開(kāi)設旁通節流部。

設全流量為q、傳感器流路的流量為q_s，、主流路的流量為q_b、旁通節流部的主流路和傳感器流路的分流比為κ，如算式5-7所示，全流量可以用傳感器流量和分流比來(lái)表示。

式中：

q——全流量；

q_s——傳感器流路的流量；

q_b——主流路的流量；

κ——主流路和傳感器流路的分流比。

旁通節流部的結構實(shí)際上與傳感器流路相同，有捆扎了多根毛細管的產(chǎn)品、以及開(kāi)孔式產(chǎn)品等。但是，旁通節流部的分流比的偏差將導致測量流量的誤差，因此旁通流路部件的結構很重要。同時(shí)，對于這種旁通節流部，在測量流量范圍內必須是層流狀態(tài)的流體。如圖5-4所示。

上游傳感器S1和下游傳感器S2同時(shí)具有加熱傳感器流路的加熱器功能和利用電阻測量進(jìn)行溫度測量的溫度傳感器功能。讓規定的電流流過(guò)S1、S2，使S1、S2的溫度上升到比氣體溫度高。在沒(méi)有流體流動(dòng)的情況下，S1、S2的溫度均相同。有流體流動(dòng)的情況下，S1的熱量被氣體帶走，因此溫度會(huì )下降。對于S2，由于S1加熱后的氣體的到來(lái)，因此溫度會(huì )上升。

通過(guò)測量S1、S2的溫度差，可以進(jìn)行流量測量。由于需要測量溫度差的微小變化，因此要采用S1和S2的橋電路。S1和S2的溫度差δT與流量之間有δT∝C_p?qm的關(guān)系。C_ρ是定壓比熱容、qm是質(zhì)量流量。由于δT與橋電路的輸出成正比關(guān)系，因此橋電路的輸出與質(zhì)量流量qm成正比的關(guān)系。這就是旁通毛細管(分流毛細管)加熱型質(zhì)量流量計的基本工作原理。圖5-5是旁通節流部的照片。

(二)流量傳感器(MEMS)型

流量傳感器(MEMS)型如圖5-6所示，是采用微電子機械系統技術(shù)將加熱器和傳感器制作成傳感器芯片并封裝在半導體電路板上的流量計。

在一片寬1.7mm、厚O.5mm的硅單結晶電路板上安設絕緣膜，并在其上面用薄膜電阻體形成加熱器和測溫電阻體的溫度傳感器。檢測部下側的硅電路板采用蝕刻法除去加熱器和溫度傳感器懸浮于空中的結構。由于是非常小型的傳感器，熱容量較小，因此響應性很快，有的產(chǎn)品相對于流速變化的響應甚至達到2ms以下。詳細的結構如圖5-7所示。

這種傳感器具有獨立的加熱器(R_h)、上游側溫度傳感器(R_u)、下游側溫度傳感器(R_d)。

利用配置在正中央的加熱器來(lái)加熱氣體。此時(shí)，等溫線(xiàn)的上游側、下游側左右對稱(chēng)。

氣體流動(dòng)時(shí)，上游側溫度下降，下游側溫度上升，因此Ru和Rd的溫度平衡被打破。利用Ru、Rd的溫度差的變化，可以測量流速。在傳感器芯片上，如果能測得流路的代表流速v，設流路的斷面積為S，則q=v·S，從而可以導出全流量。傳感器芯片的測量流速是不受溫度、壓力影響的質(zhì)量流速，因此這里導出的流量是質(zhì)量流量。圖5-8是流量傳感器(MEMS)型的工作原理。

下面用平面模型詳細地加以說(shuō)明。

如圖5-9所示，考慮流體在上游溫度傳感器Ru的中央部，面積Su的垂直微小面流動(dòng)。設Su和加熱器Rh間的熱有效長(cháng)度為L(cháng)u1， Su和周?chē)鷼怏w間的熱有效長(cháng)度為L(cháng)u2、氣體的熱傳導率為λ、氣體密度為ρ、氣體的定壓比熱容為C_p、氣體的流速為v、Rh的溫度為T(mén)h、Su的溫度為T(mén)u、氣體的初始由度為T(mén)o，則流速為零時(shí)流入Su的熱量Qu1可表示為

從Su流出的熱量Qu2可表示為

有流速時(shí)從Su流出熱量的增加部分qu可表示為

因此，總的熱量流入流出Q_u1=Q_u2+q_u如下所示：

由此可以求出T_u：

同樣，考慮R_d的中央微小部(面積S_d)設S_d和R_h間的熱有效長(cháng)度為L(cháng)_dl、S_d和周?chē)鷼怏w間的熱有效長(cháng)度為L(cháng)_d2、S_d的溫度為T(mén)_d，并且經(jīng)R_h加熱后的氣體在所有通過(guò)S_d的氣體中所占比例為C。

則流速為零時(shí)流入S_d的熱量Q_dl可表示為

從S_d流出的熱量Q_d2可表示為

有流速時(shí)流入S_d的熱量的增加部分q_d可表示為

因此，總的熱量流入流出Q_dl+q_d=Q_d2如下所示：

由此可以求出T_d：

從Tu、T_d的公式可求出傳感器輸出ΔT。

由于傳感器以R_h為中心對稱(chēng)配置，因此考慮L_uI =L_dl、L_u2 =L_d2后可得

公式(5-13)的右邊分母、分子乘以配管斷面積S后，得

可見(jiàn)，上游側溫度傳感器的溫度T_u和下游側溫度傳感器的溫度T_d的差ΔT可以用流量q的函數來(lái)表示。

流體流動(dòng)時(shí)的溫度分布模擬結果如圖5-10所示。

流量傳感器(MEMS)型的傳感器屬于小型傳感器，可設置于流路壁面近旁。要利用設置于壁面近旁的傳感器對流路的代表流速進(jìn)行高準確度的測量，必須將傳感器芯片配置于層流境界層內的最佳位置。同時(shí)，由于是根據局部空間的流速來(lái)測量整個(gè)流量，因此在測量位置上游的整流是很重要的因素。整流時(shí)可采用金屬網(wǎng)的組合等各種方式，如圖5-11所示。

(三)氣體溫度和傳感器靈敏度之間的關(guān)系

由公式(5-14)可知，熱式流量傳感器的流體溫度和發(fā)熱部(加熱器)之間的溫度差與傳感器輸出大致成正比。也就是說(shuō)，流體溫度越低時(shí)，與加熱器之間的溫度差也就越大，傳感器靈敏度越高；流體溫度越高時(shí)，與加熱器之間的溫度差也就越小，傳感器靈敏度越低。這樣就無(wú)法測量質(zhì)量流量，因此必須進(jìn)行修正。修正的方法有兩種：一是采用加熱器溫度修正的加熱器恒溫差驅動(dòng)方式，也就是使加熱器的溫度與氣體的溫度差始終保持恒定；二是加熱器以恒溫驅動(dòng)，僅使從橋電路輸出的電氣信號與氣體溫度相適應的放大率修正方式。

要進(jìn)行這些修正，必須進(jìn)行氣體溫度的測量。對于旁通毛細管加熱型，要在傳感器近旁安設溫度傳感器，并以此點(diǎn)的溫度為基準進(jìn)行修正。對于流量傳感器(MEMS)型的傳感器，還要在傳感器芯片上配置環(huán)境溫度傳感器，在傳感器上進(jìn)行氣體溫度的測量和修正。

加熱器恒溫差驅動(dòng)方式的加熱器驅動(dòng)電路的例子如圖5-12所示。

(四)氣體的種類(lèi)和傳感器靈敏度

熱式質(zhì)量流量計利用發(fā)熱體(加熱器)和流體(氣體)之間的熱傳遞現象來(lái)進(jìn)行流量測量。

由于氣體種類(lèi)的不同，熱物性也不相同，因此傳感器的靈敏度也各不相同。用于修正各種氣體的靈敏度差異的系數稱(chēng)為轉換因子。

要用于其流量計已校準的氣體以外的種類(lèi)的氣體時(shí)，務(wù)必用轉換因子乘以輸出來(lái)修正。

旁通毛細管加熱型的傳感器的轉換因子是相對于毛細管內的氣體的熱物性，因此可用密度p和定壓比熱容C_p的函數來(lái)表示。對于流量傳感器(MEMS)型，流路相對于傳感器檢測部會(huì )很大，因此可用密度ρ和定壓比熱C_p和熱傳導率λ的函數來(lái)表示。實(shí)際上，還有管道形狀等其他因素的影響，因此各生產(chǎn)廠(chǎng)家按照各種產(chǎn)品發(fā)布了針對各種氣體的轉換因子。(株)山武的質(zhì)量流量計CMS、CML和質(zhì)量流量控制器CMQ、MPC等產(chǎn)品，事先內置了代表性氣體的轉換因子，只需通過(guò)變更參數就可以簡(jiǎn)單地變更氣體的種類(lèi)。因5-13是CMQ的內部結構。

三、典型應用舉例

由于熱式質(zhì)量流量計可以很簡(jiǎn)便地進(jìn)行質(zhì)量流量的測量，因此廣泛地用于各個(gè)領(lǐng)域。作為具有代表性的使用例，有利用其快速響應性并與流量控制間組合起來(lái)的質(zhì)量流量控制器。

由于旁通毛細管加熱型的傳感器是從不銹鋼管道的外側進(jìn)行測量，因此可以應對腐蝕性氣體等，廣泛用于腐蝕性氣體等使用較多的半導體制造工序中。

旁通毛細管加熱型的傳感器的旁通節流部的壓力損失較大，因此不面向大流量，而僅限于100L/min以下的小流量使用。

流量傳感器(MEMS型)的傳感器采用半導體制成，直接與氣體接觸，因此可能無(wú)法用于部分半導體的制造氣體。但是，目前已充分利用流量傳感器(MEMS型)的高速響應性和低壓力損失的特點(diǎn)，廣泛地用于氣體供給狀態(tài)千差萬(wàn)別的各種普通工業(yè)的制造工序中。(株)山武的質(zhì)量流量控制器CMQ充分利用流量傳感器(MEM）的響應性，從開(kāi)始控制到達到目標流量值只需500ms。同時(shí)，不受壓力變動(dòng)等干擾，可以始終進(jìn)行穩定的流量控制。當整流機構能夠充分地建立時(shí)，流量傳感器(MEMS：微電子機械系統)可以消除壓力損失所帶來(lái)的制約，因此采用(株)山武的流量傳感器(MEMS：微電子機械系統)的流量計CML可測量27000L/min的流量。目前正在開(kāi)發(fā)能夠測量 80OOOL/min的流量計。圖5-14是可測量27000L/min的CML流量計。

四、注意事項

(1)在測量原理中也有觸及，由于傳感器靈敏度因氣體種類(lèi)的不同而異，因此對于組成成分不斷變化的混合氣體等，無(wú)法獲得符合規格的準確度。

(2)熱式流量計容易臟污。對于旁通毛細管加熱型，毛細管可能因臟污而堵塞；對于流量傳感器(MEMS型)，甚至可能因為污垢附著(zhù)在傳感器的表面而導致故障。因此，熱式流量計應在清潔的氣體中使用，或者在流量計的前面裝設過(guò)濾器，充分地凈化。

(3)由于是利用熱量的流量計，因此當氣體溫度和流量計本體的溫度有很大的溫度坡度時(shí)，會(huì )產(chǎn)生誤差。因此，流量計本體的溫度和氣體的溫度必須充分地適應熱性。

(4)旁通毛細管加熱型在不銹鋼管中裝有高分子的絕緣膜，并纏繞了鐵鎳線(xiàn)的加熱器兼溫度傳感器來(lái)進(jìn)行加熱，因此絕緣膜的應力變化所引起的老化可能導致零點(diǎn)的漂移。使用前必須進(jìn)行零點(diǎn)確認，并進(jìn)行零點(diǎn)調節。流量傳感器(MEMS：微電子機械系統型)在材料上、結構上不容易引起老化。

 

第三節 氣體質(zhì)量流量計的檢定

 

氣體質(zhì)量流量計的檢定主要依據中華人民共和國國家計量檢定規程JJG 897-1995《質(zhì)量流量計》和參考電子行業(yè)標準SJ/T 10583-1994《氣體質(zhì)量流量控制器通用技術(shù)條件》。

針對不同流量范圍的流量計，采用流量范圍相匹配的標準檢定裝置：較大流量的質(zhì)量流量計，如美國FCI插入式熱式質(zhì)量流量計，最大流量高達成千上萬(wàn)立方米每小時(shí)(m³ /h)，只能采用標準表法氣體流量標準裝置如音速?lài)娮煅b置、或者渦輪標準表并聯(lián)方式達到大流量的裝置。這類(lèi)插入式熱式質(zhì)量流量計的安裝就特別重要，要求嚴格按照制造商說(shuō)明書(shū)進(jìn)行安裝，特別是插入深度尺寸要求、熱式質(zhì)量流量計傳感器的安裝角度都十分重要。這類(lèi)插入式熱式質(zhì)量流量計的輸出電信號一般有標準(4~20)mA電流信號或者脈沖信號。如果是標準(4~20)mA電流信號，要換算戚與裝置相應的流量單位。誤差計算方法一般采用滿(mǎn)量程引用誤差(%FS)。

一、標準表法氣體流量標準裝置

(一)密封性檢定

將被檢樣機接入最大壓力進(jìn)行測試，當氣壓達到額定值后，保持5min，然后檢查流量計，其結果應無(wú)損壞并能正常工作。

(二)最大允許誤差檢定

根據制造商產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)的要求，充分滿(mǎn)足前后直管段的要求，否則會(huì )影響測量準確性。安裝好流量計，將被檢表的電信號(一般有脈沖信號或者電流信號)引入到檢定系統。

注意：一定要把被檢表、檢定系統顯示結果都換算到同一溫度、壓力(一般是標準狀態(tài)：溫度為273.15K或者293.15K；壓強為101325Pa)下才能計算誤差。

按流量計的體積流量范圍一般選取qmin、0.2qmax，0.5qmax，qmax流量檢定點(diǎn)，或者按照用戶(hù)要求的流量點(diǎn)進(jìn)行檢定，每點(diǎn)至少檢定3次。

(1)每個(gè)流量點(diǎn)每次檢定的儀表系數

式中：

K_ij——第i流量點(diǎn)第j次檢定的儀表系數，11m³ ；

N_ij——第i流量點(diǎn)第j次檢定時(shí)脈沖發(fā)生器測得的脈沖數；

P_ij——第i流量點(diǎn)第j次檢定時(shí)流量計處的流體表壓力， kPa；

V_ij——第i流量點(diǎn)第j次檢定時(shí)測得的校準裝置處流體實(shí)際體積， m³；

Pa——檢定時(shí)的當地大氣壓力， kPa；

(ρs)_ij——第i流量點(diǎn)第j次檢定時(shí)校準裝置處的流體表壓力， kPa；

t_ij ——第i流量點(diǎn)第j次檢定時(shí)流量計處的氣體溫度，℃；

(t_s)_ij——第i流量點(diǎn)第j次檢定時(shí)校準裝置處的氣體溫度，℃；

i=l、2…m， m為流量點(diǎn)數，m≥3 ；

j=l、2…n， n為檢定次數， n≥3。

(2)每個(gè)流量點(diǎn)的平均儀表系數

式中：

K_i——第i流量點(diǎn)的平均儀表系數，1/m³。

(3)流量計的儀表系數

式中：

Ko——流量計儀表系數，11m³ ；

(K_i）max—— 各流量點(diǎn)的儀表系數K_i中的最大值，1/m³。

(K_i）min——各流量點(diǎn)的儀表系數K_i中的最小值，1/m³。

(4）流量計線(xiàn)性度

式中：

E_L——流量計線(xiàn)性度，%。

(5)流量計的基本誤差

式中：

δ——流量計的基本誤差，%；

Es——裝置的誤差，%。

(6)重復性試驗

①每個(gè)流量點(diǎn)的重復性

式中：

(K_r)i——第i流量點(diǎn)的重復性，%。

⑦流量計的重復件

式中：

Er——流量計的重復性，%。

流量計的重復性不應超過(guò)最大允許誤差絕對值的二分之一的要求。

二、鐘罩式氣體流量標準裝置

可以采用鐘罩式氣體流量標準裝置檢定中小流量(0.1m³ /h~120m3 /h)熱式質(zhì)量流量計。計算公式和上面所列公式基本一樣。

三、皂膜氣體流量標準裝置

采用皂膜氣體流量標準裝置檢定微小流量（lmL/min~ 12L/min)熱式質(zhì)量流量計。如日本株式會(huì )社山武生產(chǎn)的控制盤(pán)嵌入型質(zhì)量流量控制器： MPC9500型，規格為(0.02~0.5)L/min； MPC0002型，規格為(0.08~2)L/min。一般來(lái)說(shuō)，采用高壓純氮氣(99.99%)檢定質(zhì)量流量控制器，根據制造商使用說(shuō)明書(shū)換算系數計算其他各種類(lèi)型的氣體。

(一)最大允許誤差

采用皂膜氣體流量標準裝置檢定時(shí)，必須將體積流量換算為標準狀態(tài)下的體積流量qo，計算公式如下：

式中：

V——皂膜氣體流量標準裝置玻璃管的標準容積， mL；

To——標準狀態(tài)的溫度， 273.15K；

Po——標準狀態(tài)的壓強，101325Pa；

T——皂膜管內氣體的溫度(近似取室溫)， K；

ρ——皂膜管內氣體的壓強(近似取室內氣壓)， Pa；

Pd——皂膜管內氣體的水蒸氣壓(用水飽和蒸汽壓代替)， Pa；

t——皂膜通過(guò)玻璃管上兩標線(xiàn)之間的時(shí)間， min。

用在中間氣壓下的100%設定點(diǎn)測得實(shí)際流量后，流量控制器準確度按下式計算：

式中：

δ——被測流量控制器準確度；

q_F——被測流量控制器滿(mǎn)量程示值流量；

q_OF——流量控制器滿(mǎn)量程實(shí)際流量。

測量3次，取3次測量平均值為準確度。

(二)重復性

測試兩次50%設定點(diǎn)的實(shí)際流量q_Ol與q₀₂，按下式計算：

式中：

?——流量控制器重復性；

q_Ol——50%設定點(diǎn)第一次實(shí)際流量；

q₀₂——50%設定點(diǎn)第二次實(shí)際流量。

(三)線(xiàn)性誤差

設定點(diǎn)比例為25%、50%、75%、100%時(shí)的實(shí)際流量值，按下式分別算出各點(diǎn)的線(xiàn)性偏差，取偏離最大的值做該表的實(shí)際線(xiàn)性誤差值。

式中：

l——被測流量控制器線(xiàn)性誤差；

q_o——流量控制器各點(diǎn)實(shí)際流量；

n——各點(diǎn)的設定比例。