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熱式質(zhì)量流量計(jì)特點(diǎn)
閱讀：3438 發(fā)布時(shí)間：2010-11-30
熱式質(zhì)量流量計(jì)（thermal mass flowmeter，TMF）是利用傳熱原理檢測(cè)流量的儀表，即利用流動(dòng)的流體與熱源（流體通道內(nèi)加熱體或管壁外加熱體）之間熱量交換關(guān)系米測(cè)量流量的儀表。
20世紀(jì)60年代，美國(guó)首先為宇航業(yè)所需氣體質(zhì)量控制開(kāi)發(fā)出TMF正式產(chǎn)品，其后應(yīng)用于半導(dǎo)體工業(yè)的制造設(shè)備上，得到很大發(fā)展，后又?jǐn)U展到其他工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。近年還在工：業(yè)應(yīng)用上從測(cè)量氣體擴(kuò)大到測(cè)量液體。
由于氣體TMF口趨成熟且應(yīng)用面不斷拓寬，標(biāo)準(zhǔn)化組織（1SO）已制定有關(guān)“規(guī)范、檢驗(yàn)、安裝、運(yùn)行和校準(zhǔn)”氣體TMF的標(biāo)準(zhǔn)IS014511：2001。
世界工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家已有眾多制造企業(yè)生產(chǎn)TMF和熱式流量開(kāi)關(guān)（thermal flowswitch）投放市場(chǎng)，20世紀(jì)90年代初中期，世界范圍TMF銷(xiāo)售額占流量?jī)x表的3％～8％，年銷(xiāo)售臺(tái)數(shù)1．75萬(wàn)～4．5萬(wàn)臺(tái)。
我國(guó)開(kāi)發(fā)TMF較晚，20世紀(jì)70年代才山北京化工研究院和冶金部礦冶研究院上海光華儀表廠分別研制了氣體和液體TMF。
熱式流量?jī)x表除了本文主要討論輸出連續(xù)量的TMF外，還有另一分支一熱式流量開(kāi)關(guān)。流量開(kāi)關(guān)也有稱(chēng)作流動(dòng)替續(xù)器（flowrelay）。它主要在流量超過(guò)上限（或下限）時(shí)，發(fā)出兩位控制信號(hào)，有些流量開(kāi)關(guān)的流量上，下限值還可由用戶(hù)內(nèi)行設(shè)定。流量開(kāi)關(guān)主要用于空調(diào)、通風(fēng)、水／風(fēng)冷卻、潤(rùn)滑油等系統(tǒng)的保護(hù)監(jiān)控。
當(dāng)前TMF主要應(yīng)用于測(cè)量氣體，只有很小部分應(yīng)J”于測(cè)量微小液體流量。
1．熱分布式氣體TMF
本類(lèi)儀表適用于測(cè)量小流量微小口徑的清潔氣體，應(yīng)用于精細(xì)制造工藝和微小流量采樣控制等。
（1）半導(dǎo)體工業(yè)應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)曾是TMF主要服務(wù)對(duì)象。TMF是應(yīng)承半導(dǎo)體業(yè)需求的推動(dòng)而得到蓬勃發(fā)展，應(yīng)用于擴(kuò)散、氧化、外延、等離子刻蝕、濺射等工藝設(shè)備中，測(cè)量和控制超凈氣體或腐蝕／有害氣體流量，如氫、氨、氟化氫、三氟化氮、氧化氮、砷化三氫、磷化氫等。1995年世界范圍內(nèi)半導(dǎo)業(yè)仍購(gòu)置了三千余萬(wàn)美元的TMF，約占熱式流量?jī)x表市場(chǎng)的1／3。
（2）分析儀器采樣氣體測(cè)量氣體色潛儀和環(huán)境保護(hù)等分析儀器氣體取樣量或大氣采集量所用的配套用流量?jī)x表，原常用浮子流量計(jì)，現(xiàn)在凡要求較高者漸被氣體TMF所代替，其應(yīng)用非常普遍。
（3）機(jī)械構(gòu)件密封性測(cè)試和尺寸精密測(cè)量例如測(cè)量閥門(mén)等機(jī)械構(gòu)件氣密性指標(biāo)中的氣體泄漏量，測(cè)量小孔尺寸和過(guò)濾材料透氣性測(cè)試等。
（4）化工、石油等流程工業(yè)微型試驗(yàn)裝置中微小氣體流量的測(cè)量和控制
（5）其他應(yīng)用光導(dǎo)纖維制造；電廠氫冷發(fā)電機(jī)氫氣補(bǔ)給量測(cè)量；燃燒噴嘴天然氣流量測(cè)量與控制；熱處理爐保護(hù)氣或滲碳?xì)獬錃饬浚会t(yī)學(xué)保健氧氣或麻醉劑氣流量控制等。
2．熱消散效應(yīng)侵入式（或插入式）氣體流量計(jì)
該類(lèi)儀表應(yīng)用于較大管徑，除測(cè)量潔凈氣體外還可測(cè)量存在一些塵粒的粗放氣體，如煙道氣等。
（1）取暖通風(fēng)空調(diào)（HVAC）業(yè)在國(guó)外HVAC業(yè)也是熱式氣體流量計(jì)的主要服務(wù)對(duì)象，包括有無(wú)流通的監(jiān)控（流量開(kāi)關(guān)）和通風(fēng)量的測(cè)量控制（流量計(jì)）。1995年在世界范圍內(nèi)HVAC業(yè)采購(gòu)熱式流量?jī)x表超過(guò)其市場(chǎng)總額的1／4。但在國(guó)內(nèi)這方面應(yīng)用似乎尚不普遍。
（2）公用事業(yè)給水和污水治理應(yīng)用于給水工業(yè)的原水水處理殺菌凈化過(guò)程中氯氣、臭氧和氨氣等流量測(cè)量和控制；污水治理；曝氣凈化過(guò)程中空氣和處理過(guò)程中產(chǎn)生氣體的測(cè)量控制。
（3）能源工業(yè)應(yīng)用于測(cè)量天然氣、鍋爐通風(fēng)鼓風(fēng)空氣、儲(chǔ)罐管線(xiàn)排氣等。在煤粉／空氣配比過(guò)程中，測(cè)量和控制空氣流量。
（4）氣體連續(xù)排放監(jiān)控（CEM）環(huán)境保護(hù)要求控制鍋爐燃燒煙道氣中S02和NO。的排放總量，由流量?jī)x表和分析儀器等組成CEM（continous emission monitoring）系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。雖然美國(guó)*曾在1991年認(rèn)為可選擇三種流量?jī)x表：差壓方式（均速管）、超聲式和熱式，但考察當(dāng)前市場(chǎng)供應(yīng)狀況，似乎熱式流量計(jì)在煙道氣應(yīng)用上漸成主導(dǎo)品種。
（5）其他工業(yè)應(yīng)用如水泥業(yè)豎式磨粉排放熱氣、燃料電池工廠各種氣體等。
3．微小液體流量測(cè)量
微小液體熱式流量計(jì)應(yīng)用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥食品等流程工業(yè)實(shí)驗(yàn)性裝置。例如，藥液系統(tǒng)中定流量配比控制、液化氣注入過(guò)程中流量測(cè)量和控制。測(cè)量高壓丙烷、丁烷、液氨、COz等液態(tài)氣體。由于測(cè)量原理上液體加熱溫升不高，或是對(duì)液體冷卻，因此十分適合測(cè)量液化氣體和易汽化液體。
二、TMF的特點(diǎn)
TMF有以下特點(diǎn)。
①能測(cè)量極低流速和微小流量；能測(cè)低壓氣體流量，甚至是真空狀的分子流。
②無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高。
③無(wú)壓力損失或壓力損失很小。基型熱分布式TMF無(wú)阻流元件，不存在測(cè)量引起的壓力損失；帶分流管熱分布式TMF和侵入式TMF雖有阻流件，壓力損失也不大。
④測(cè)量氣體流量時(shí)，常以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量單位表示，介質(zhì)溫度／壓力變化幾乎不影響所測(cè)量值。若標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度恒定（即組分不變），則類(lèi)似于質(zhì)量流量。
⑤儀表系數(shù)隨氣體種類(lèi)或混合氣體組分而變，不能測(cè)量質(zhì)量熱容（比熱容）變化的流體。因氣體種類(lèi)或組分改變，其定壓比熱容Jp和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨之而變，影響測(cè)量值。更不能用于混相流體或可能產(chǎn)生相變流體。
⑥熱分布式TMF用于CO、N2、02等接近理想氣體的雙原子氣體，可直接用空氣校驗(yàn)。
當(dāng)前TMF主要應(yīng)用于測(cè)量氣體，只有很小部分應(yīng)J”于測(cè)量微小液體流量。
1．熱分布式氣體TMF
本類(lèi)儀表適用于測(cè)量小流量微小口徑的清潔氣體，應(yīng)用于精細(xì)制造工藝和微小流量采樣控制等。
（1）半導(dǎo)體工業(yè)應(yīng)用半導(dǎo)體工業(yè)曾是TMF主要服務(wù)對(duì)象。TMF是應(yīng)承半導(dǎo)體業(yè)需求的推動(dòng)而得到蓬勃發(fā)展，應(yīng)用于擴(kuò)散、氧化、外延、等離子刻蝕、濺射等工藝設(shè)備中，測(cè)量和控制超凈氣體或腐蝕／有害氣體流量，如氫、氨、氟化氫、三氟化氮、氧化氮、砷化三氫、磷化氫等。1995年世界范圍內(nèi)半導(dǎo)業(yè)仍購(gòu)置了三千余萬(wàn)美元的TMF，約占熱式流量?jī)x表市場(chǎng)的1／3。
（2）分析儀器采樣氣體測(cè)量氣體色潛儀和環(huán)境保護(hù)等分析儀器氣體取樣量或大氣采集量所用的配套用流量?jī)x表，原常用浮子流量計(jì)，現(xiàn)在凡要求較高者漸被氣體TMF所代替，其應(yīng)用非常普遍。
（3）機(jī)械構(gòu)件密封性測(cè)試和尺寸精密測(cè)量例如測(cè)量閥門(mén)等機(jī)械構(gòu)件氣密性指標(biāo)中的氣體泄漏量，測(cè)量小孔尺寸和過(guò)濾材料透氣性測(cè)試等。
（4）化工、石油等流程工業(yè)微型試驗(yàn)裝置中微小氣體流量的測(cè)量和控制
（5）其他應(yīng)用光導(dǎo)纖維制造；電廠氫冷發(fā)電機(jī)氫氣補(bǔ)給量測(cè)量；燃燒噴嘴天然氣流量測(cè)量與控制；熱處理爐保護(hù)氣或滲碳?xì)獬錃饬浚会t(yī)學(xué)保健氧氣或麻醉劑氣流量控制等。
2．熱消散效應(yīng)侵入式（或插入式）氣體流量計(jì)
該類(lèi)儀表應(yīng)用于較大管徑，除測(cè)量潔凈氣體外還可測(cè)量存在一些塵粒的粗放氣體，如煙道氣等。
（1）取暖通風(fēng)空調(diào)（HVAC）業(yè)在國(guó)外HVAC業(yè)也是熱式氣體流量計(jì)的主要服務(wù)對(duì)象，包括有無(wú)流通的監(jiān)控（流量開(kāi)關(guān)）和通風(fēng)量的測(cè)量控制（流量計(jì)）。1995年在世界范圍內(nèi)HVAC業(yè)采購(gòu)熱式流量?jī)x表超過(guò)其市場(chǎng)總額的1／4。但在國(guó)內(nèi)這方面應(yīng)用似乎尚不普遍。
（2）公用事業(yè)給水和污水治理應(yīng)用于給水工業(yè)的原水水處理殺菌凈化過(guò)程中氯氣、臭氧和氨氣等流量測(cè)量和控制；污水治理；曝氣凈化過(guò)程中空氣和處理過(guò)程中產(chǎn)生氣體的測(cè)量控制。
（3）能源工業(yè)應(yīng)用于測(cè)量天然氣、鍋爐通風(fēng)鼓風(fēng)空氣、儲(chǔ)罐管線(xiàn)排氣等。在煤粉／空氣配比過(guò)程中，測(cè)量和控制空氣流量。
（4）氣體連續(xù)排放監(jiān)控（CEM）環(huán)境保護(hù)要求控制鍋爐燃燒煙道氣中S02和NO。的排放總量，由流量?jī)x表和分析儀器等組成CEM（continous emission monitoring）系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。雖然美國(guó)*曾在1991年認(rèn)為可選擇三種流量?jī)x表：差壓方式（均速管）、超聲式和熱式，但考察當(dāng)前市場(chǎng)供應(yīng)狀況，似乎熱式流量計(jì)在煙道氣應(yīng)用上漸成主導(dǎo)品種。
（5）其他工業(yè)應(yīng)用如水泥業(yè)豎式磨粉排放熱氣、燃料電池工廠各種氣體等。
3．微小液體流量測(cè)量
微小液體熱式流量計(jì)應(yīng)用于化學(xué)、石油化工、醫(yī)藥食品等流程工業(yè)實(shí)驗(yàn)性裝置。例如，藥液系統(tǒng)中定流量配比控制、液化氣注入過(guò)程中流量測(cè)量和控制。測(cè)量高壓丙烷、丁烷、液氨、COz等液態(tài)氣體。由于測(cè)量原理上液體加熱溫升不高，或是對(duì)液體冷卻，因此十分適合測(cè)量液化氣體和易汽化液體。
二、TMF的特點(diǎn)
TMF有以下特點(diǎn)。
①能測(cè)量極低流速和微小流量；能測(cè)低壓氣體流量，甚至是真空狀的分子流。
②無(wú)活動(dòng)部件，可靠性高。
③無(wú)壓力損失或壓力損失很小。基型熱分布式TMF無(wú)阻流元件，不存在測(cè)量引起的壓力損失；帶分流管熱分布式TMF和侵入式TMF雖有阻流件，壓力損失也不大。
④測(cè)量氣體流量時(shí)，常以標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量單位表示，介質(zhì)溫度／壓力變化幾乎不影響所測(cè)量值。若標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下密度恒定（即組分不變），則類(lèi)似于質(zhì)量流量。
⑤儀表系數(shù)隨氣體種類(lèi)或混合氣體組分而變，不能測(cè)量質(zhì)量熱容（比熱容）變化的流體。因氣體種類(lèi)或組分改變，其定壓比熱容Jp和熱傳導(dǎo)系數(shù)隨之而變，影響測(cè)量值。更不能用于混相流體或可能產(chǎn)生相變流體。
⑥熱分布式TMF用于CO、N2、02等接近理想氣體的雙原子氣體，可直接用空氣校驗(yàn)。