熱式質量流量計
熱式質量流量計（以下簡稱TME）是利用傳熱原理，即流動中的流體與熱源（流體中加熱的物體或測量管外加熱體）之間熱量交換關系來測量流量的儀表，過去我國習稱量熱式流量計。當前主要用于測量氣體。 20世紀90年代初期，世界范圍TMF銷售金額約占流量儀表的8%，約4.5萬臺。國內90年代中期銷售量估計每年1000臺左右。過去流程工業用儀表主要是熱分布式，近幾年才開發熱散（或冷卻）效應式。
1. 原理和結構
熱式流量儀表用得最多有兩類，即1）利用流動流體傳遞熱量改變測量管壁溫度分布的熱傳導分布效應的熱分布式流量計（thenmaI prohIe fIowmeter）曾稱量熱式TMF;2)利用熱消散（冷卻）效應的金氏定律（King s Iaw）TMF。又由于結構上檢測元件伸入測量管內，也稱浸入型（immersion type ）或侵入型（intrusion type）。有些在使用時從管外插入工藝管內的儀表稱作插入式（insertion type）。1.1熱分布式TMF
熱分布式TMF的工作原理如圖1所示，薄壁測量管3外壁繞著兩組兼作加熱器和檢測元件的繞組2，組成惠斯登電橋，由恒流電源5供給恒定熱量，通過線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導熱量給管內流體。邊界層內熱的傳遞可以看作熱傳導方式實現的。在流量為零時，測量管上的溫度分布如圖下部虛線所示，相對于測量管中心的上下游是對稱的，由線圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態；當流體流動時，流體將上游的部分熱量帶給下游，導致溫度分布變化如實線所示，由電橋測出兩組線圈電阻值的變化，求得兩組線圈平均溫度差ΔT。便可按下式導出質量流量qm，即
（1）
式中 cp －－－－－－-被測氣體的定壓比熱容； A －－－－－－-測量管繞組（即加熱系統）與周圍環境熱交換系統之間的熱傳導系數； K －－－－－－-儀表常數。
在總的熱傳導系數A中，因測量管壁很薄且具有相對較高熱導率，儀表制成后其值不變，因此A的變化可簡化認為主要是流體邊界層熱導率的變化。當使用于某一特定范圍的流體時，則A、cp均視為常量，則質量流量僅與繞組平均溫度差成正比，如圖2 Oa 段所示。 Oa段為儀表正常測量范圍，儀表出口處流體不帶走熱量，或者說帶走熱量極微；超過a點流量增大到有部分熱量被帶走而呈現非線性，流量超過b點則大量熱量被帶走。 測量管加熱方式大部分產品采用兩繞組或三繞組線繞電阻；除管外電阻絲繞組加熱方式外還有利用管材本身電阻加熱方式，如表1所示。測量管形狀有直管形，還有∏字形結構，三繞組中一組在中間加熱，兩組分繞兩臂測量溫度。
表 1 測量管加熱和檢測方式
方 式
感應加熱熱電偶
兩繞組電阻絲
三繞組電阻絲
結構
檢測元件
熱電偶
熱電阻絲
熱電阻絲
加熱方式
測量管焦耳熱
自己加熱
中間繞組加熱
為了獲得良好的線形輸出，必須保持層流流動，測量管內徑D設計得很小而長度L很長，即有很大L/D比值，流速低，流量小。為擴大儀表流量，還可采用在管道內裝管束等層流阻流件；擴大更大流量和口徑還常采用分流方式，在主管道內裝層流阻流件（見圖3）以恒定比值分流部分流體到流量傳感部件。有些型號儀表也有用文丘里噴嘴等代替層流阻流件。 市場上熱分布式TMF按測量管內徑分為細管型（也有稱毛細管型）和小型兩大類，結構上有較大區別。小型測量管儀表只有直管型，內徑為4mm；細管型測量管內徑僅0.2~0.5mm。稍大者為0.8~1mm，極容易堵塞，只適用于凈化無塵氣體。細管型儀表還有一種帶有調節單元和控制閥等組成一體的熱式質量流量控制器，結構如圖4所示。
1.2基于金氏定律的浸入型TMF金氏定律的熱絲熱散失率表述各參量間關系，如式2所示。
（2）
式中 H/L －－－－－－-單位長度熱散失率，J/m•h;ΔT－－－－－－－－熱絲高于自由流束的平均升高溫度，K；λ －－－－－－－－流體的熱導率，J/h•m•K;cV－－－－－－－－-定容比熱容，J/kg•k;ρ－－－－－－－－-密度，kg/m3;U－－－－－－－－-流體的流速，m/h;d－－－－－－－－熱絲直徑，m.
如圖5所示，兩溫度傳感器（熱電阻）分別置于氣流中兩金屬細管內，一熱電阻測得氣流溫度T；另一細管經功率恒定的電熱加熱，其溫度Tv高于氣流溫度，氣體靜止時Tv最高，隨著質量流速ρU增加，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測得溫度差ΔT=Tv-T.這種方法稱作“溫度差測量法”或“溫度測量法”。消耗功率P和溫度差ΔT如式3所示比列關系，式中B, C, K均為常數，K在?~?之間。從式2便可算出質量流速，乘上點流速于管道平均流速間系數和流通面積的質量流量qm，再將式3變換成式4。
（3）
（4）
式4中E是與所測氣體物性如熱導率、比熱容、粘度等有關的系數，如果氣體成分和物性恒定則視為常數。D則是與實際流動有關的常數。 若保持ΔT恒定，控制加熱功率隨著流量增加而增加功率，這種方法稱作“功率消耗測量法”。
2、 優 點
熱分布式TMF可測量低流速（氣體0.02~2m/s）微小流量；浸入式TMF可測量低~中偏高流速(氣體2~60m/s)，插入式TMF更適合于大管徑。 TMF無活動部件，無分流管的熱分布式儀表無阻流件，壓力損失很小；帶分流管的熱分布式儀表和浸入性儀表，雖在測量管道中置有阻流件，但壓力損失也不大。 TMF使用性能相對可靠。與推導式質量流量儀表相比，不需溫度傳感器，壓力傳感器和計算單元等，僅有流量傳感器，組成簡單，出現故障概率小。 熱分布式儀表用于H2 、N2 、O2、CO 、NO等接近理想氣體的雙原子氣體，不必用這些氣體專門標定，直接就用空氣標定的儀表，實驗證明差別僅2%左右；用于Ar、He等單原子氣體則乘系數1.4即可；用于其他氣體可用比熱容換算，但偏差可能稍大些。 氣體的比熱容會隨著壓力溫度而變，但在所使用的溫度壓力附近不大的變化可視為常數。
3、 缺 點
熱式質量流量計響應慢。 被測量氣體組分變化較大的場所，因cp值和熱導率變化，測量值會有較大變化而產生誤差。 對小流量而言，儀表會給被測氣體帶來相當熱量。 對于熱分布式TMF，被測氣體若在管壁沉積垢層影響測量值，必須定期清洗；對細管型儀表更有易堵塞的缺點，一般情況下不能使用。 對脈動流在使用上將受到限制。 液體用TMF對于粘性液體在使用上亦受到限制。
4、 分 類
按流體對檢測元件熱源的熱量作用可分為熱量傳遞轉移效應和熱量消散效應或冷卻效應。
按檢測變量可分為溫度測量法和功率消耗測量法。 按流量傳感器結構可分為（有測量管的）接入管道式和插入式。 按測量流體可分為氣體和液體用。 氣體是當前TMF主要應用的流體，從微小流量到大管徑大流量都可使用。 液體用TMF 在20世紀90年代初中期開始發展并在工業生產中應用，但當前主要為微小流量儀表。有消耗功率測量法的熱分布式TMF和利用珀爾帖（ Peltier）致冷元件在檢測部位致冷（即附加熱）的TMF。后者的測量原理如圖6所示，流量傳感器由測量毛細管、電子冷卻裝置（珀爾帖元件）和3各溫度檢出件組成。測量管和致冷元件接觸，無液體流動時冷卻到某一溫度時，兩者溫度相等；液體流動時致冷元件附近測量毛細管溫度上升，如虛線所示分布，測量溫度檢測點的兩者溫度差以求的流量。
5. 選用考慮要點
5.1 應用概況
TMF目前絕大部分用于測量氣體，只有少量用于測量微小液體流量。 熱分布式儀表使用口徑和流量均較小，較多應用于半導工業外延擴散、石油化工微型反應裝置、鍍膜工藝、光導纖維制造、熱處理淬火爐等各種場所的氫、氧、氨、燃氣等氣體流量控制，以及固體致冷中固體氬蒸發等累積量和閥門制造中泄漏量的測量等。在氣體色譜儀和氣體分析儀等分析儀器上，用于監控取樣氣體量。分流型熱分布式儀表應用于30~50mm以上管徑時，通常在主流管道上裝孔板等節流裝置或均速管，分流部分氣體到流量傳感器進行測量。 冷卻效應的插入式TMF國外近10年在環境保護和流程工業中應用發展迅速，例如；水泥工業豎式磨粉機排放熱氣流量控制，煤粉燃燒過程粉/氣配比控制，污水處理發生的氣體流量測量，燃料電池工廠各種氣體流量測量等等。大管道用還有徑向分段排列多組檢測元件組成的插入檢測桿，應用于鍋爐進風量控制以及煙囪煙道排氣監測SO2和NOX排放總量。 液體微小流量TMF應用于化學、石油化工、食品等流程工業實驗性裝置，如液化氣流量測量，注入過程中控制流量；高壓泵流量控制的反饋量；藥液配比系統定流量配比控制；直接液化氣液態計量后氣化，供給工業流程或商業銷售。還有在色譜分析等儀器上用作定量液取樣控制以及用于動物實驗麻醉液流量測量。還未見到液體微小流量TMF國內定型產品。5.2流體種類和物性 TMF只能用于測量清潔單相流體－－－－－－氣體或液體，用氣體的型號不能用于液體，反之亦然。對于熱分布式氣體還必須是干燥氣體，不能含有濕氣。流體可能產生的沉積、結垢以及凝結物均將影響儀表性能。對于熱分布式TMF制造廠還應給出接受的不清潔程度，例如大部分給出允許微粒粒度，用戶可按此決定是在儀表前裝過濾器。浸入式TMF對清潔度要求低些，則可用于測量煙道氣，但必須裝有閥等插入機構，能再不停流條件下去取出檢測頭。 （1） 流體的比熱容和熱導率 從式1和式2可知，TMF工作時流體的比熱容和熱導率保持恒定才能測量準確。被測介質工況溫度、壓力變化范圍不大，僅在工作點附近波動，比熱容變化不大，可視作常數。若工作點壓力溫度遠離校準時壓力溫度，則必須在該工作點壓力溫度下調整。表2列出幾種氣體在不同壓力溫度下的定壓比熱容，可看到其變化程度。
表2 幾種氣體定壓比熱容 cal/(g•K)
種類
溫度/K
壓 力 / MPa
0.001
0.1
1
10
空氣
300400500
0.2400.2420.246
0.2410.2420.246
0.2440.2440.247
0.2780.2600.257
氬氣Ar
300400500
0.1240.1240.124
0.1250.1250.125
0.1270.1250.125
0.1550.1390.133
二氧化碳CO2
300400500
0.2020.2240.242
0.2040.2250.243
0.2200.2310.246
－－－－0.3140.272
一氧化碳C