文章就鋼鐵企業(yè)氣氮?dú)逵?jì)量過程中容易出現(xiàn)的問題以及由此造成的后果進(jìn)行了分析，對(duì)熱式氣體質(zhì)量流 量計(jì)的一般工作原理、分類、不同的技術(shù)路線和優(yōu)劣比較以及選型方式進(jìn)行了闡述，并重點(diǎn)分析了熱式流量計(jì)相對(duì)孔板流量計(jì)的優(yōu)特點(diǎn)及其適用場(chǎng)合，以及通過熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)解決鋼鐵企業(yè)氣氮?dú)逵?jì)量問題所收到的 效果。

1.背景

鋼鐵企業(yè)因煉鋼工藝要求，對(duì)氧氣、氮?dú)夂?/span> 氬氣有大量需求，這3種氣體在冶煉現(xiàn)場(chǎng)的支管 計(jì)量一般采用孔板等節(jié)流裝置測(cè)量差壓值來進(jìn)行 計(jì)量，由于現(xiàn)場(chǎng)工藝流量設(shè)定值相對(duì)固定，波動(dòng) 較小，所以測(cè)量精度一般能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。

但是對(duì)于廠際計(jì)量的總管而言，節(jié)流裝置的 應(yīng)用存在較大問題，實(shí)際應(yīng)用中往往存在較大誤 差，以某鋼鐵公司為例，其煉鋼廠的氧氮?dú)逑?/span> 報(bào)表和總公司的計(jì)量統(tǒng)計(jì)報(bào)表長(zhǎng)期存在偏差，導(dǎo) 致成本考核數(shù)據(jù)失真，對(duì)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)責(zé)任制考核造 成較大影響，而計(jì)量部門使用了各種包括球罐容 積標(biāo)定法在內(nèi)的計(jì)量手段，對(duì)總管和支管的檢測(cè) 儀表進(jìn)行了多次測(cè)量或者標(biāo)定，均證明儀表參數(shù) 選型和計(jì)算書符合設(shè)計(jì)和實(shí)際工況要求，沒有大 的偏差。

2.原因分析

排除了參數(shù)設(shè)置和計(jì)算方法問題，我們把目 光轉(zhuǎn)向了計(jì)量?jī)x表本身。經(jīng)過認(rèn)真分析，我們認(rèn) 為主要原因是由孔板流量計(jì)本身的特點(diǎn)造成的： 一般鋼鐵企業(yè)煉鋼廠都有多臺(tái)轉(zhuǎn)爐設(shè)備，轉(zhuǎn)爐屬 于間歇式冶煉設(shè)備，總體上看這些設(shè)備對(duì)氧氮?dú)?/span> 氣體的使用是一種隨機(jī)的狀態(tài)，節(jié)流裝置由于量 程比較小，其選型一般是以滿足這些設(shè)備同時(shí)工

作為依據(jù)，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，流量存在較大波 動(dòng)，尤其在小流量處會(huì)超出正常的量程比。

以該鋼鐵公司為例，該公司煉鋼廠有4座轉(zhuǎn) 爐，2座容量較小，2座容量較大，這樣在實(shí)際生 產(chǎn)中，各轉(zhuǎn)爐的生產(chǎn)時(shí)間有一定的隨機(jī)性和交叉 性，所以同時(shí)只有1座小轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)和4座轉(zhuǎn)爐同時(shí) 生產(chǎn)這2種比較極端的情況均會(huì)出現(xiàn)，以氧氣為 例，實(shí)際冶煉時(shí)平均工作流量如表1所示。

考慮到煉鋼廠內(nèi)氧氣還有連鑄坯切割和曰常 檢修等用途，實(shí)際量程比應(yīng)該比計(jì)算值更大，按 具體測(cè)量值已經(jīng)超出了 7 ： 1。而一般孔板流量計(jì) 的量程比為3 ： 1,超出該量程比范圍的精度則難 以保證，在本案例中，總管最大最小流量已經(jīng)超 過了 7倍，由此導(dǎo)致總管計(jì)量和支管計(jì)量嚴(yán)重 不符。

以2016年1 ~4月的統(tǒng)計(jì)值為例如表2所示。

根據(jù)上述分析和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們得出結(jié)論， 對(duì)于鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)蹇偣苡?jì)量這種工況，常規(guī)的 孔板流量計(jì)已經(jīng)不太適用，需要尋找一種量程比 大的流量計(jì)量?jī)x表，來替代原有的差壓式孔板流量計(jì)。

3.熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理

3.1發(fā)展歷史

通過認(rèn)真研究分析，一種基于熱傳導(dǎo)效應(yīng)原 理的新型儀表進(jìn)入了我們的視線，這種儀表就是 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)（以下簡(jiǎn)稱熱式流量計(jì)）。雖 然是新型儀表，但是其測(cè)量原理在20世紀(jì)早就提 出，20世紀(jì)80年代，在一些發(fā)達(dá)國(guó)家熱傳導(dǎo)技術(shù) 已經(jīng)開始用于氣體質(zhì)量流量的測(cè)量。不過由于受 微電子技術(shù)所限，當(dāng)時(shí)熱式流量計(jì)存在很多缺陷， 例如響應(yīng)速度慢，易受干擾等，所有只在一些特 殊場(chǎng)合應(yīng)用于小流量監(jiān)測(cè)，或者作為流量開關(guān) 使用。

進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的 迅猛發(fā)展，過去制約熱式流量計(jì)的瓶頸不復(fù)存在， 計(jì)算速度、精度、抗干擾能力都大幅提升，熱式 流量計(jì)技術(shù)得到了快速發(fā)展，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用 于石油、化工、鋼鐵冶金、電力、輕工、醫(yī)藥、 環(huán)保等行業(yè)。

3.2常用測(cè)量方式

熱式流量計(jì)根據(jù)熱傳遞方式和加熱方式的不 同有多種實(shí)現(xiàn)形式，目前比較常用的有恒溫差式 和恒功率式2種。2種方式均需要2個(gè)熱敏元件作 為傳感器，并配套相應(yīng)的控制和計(jì)算電路，以及 處理器和加熱器。

恒溫差方式是先加熱一個(gè)熱敏元件，使其比不 加熱的元件高出一個(gè)恒定的溫度。隨著介質(zhì)的流 動(dòng)，被加熱的元件由于散熱溫度會(huì)降低，通過反饋 電路反饋到處理器增大加熱器的電流（也可以是 電壓）來保持其溫差為恒定值，再通過檢測(cè)變化的電流（或電壓）來獲得流量的變化值。

恒功率方式是在加熱器上加上一個(gè)恒定的功 率對(duì)其中一個(gè)熱敏元件加熱，介質(zhì)在靜態(tài)時(shí)被加 熱的元件和不加熱的元件之間溫差最大，隨著介質(zhì) 的流動(dòng)溫差減小，通過測(cè)量溫差的變化來獲得流 量的變化。

3. 3恒溫差和恒功率方式比較

從控制角度，早期實(shí)現(xiàn)恒溫差控制比實(shí)現(xiàn)恒 功率更容易，響應(yīng)更快，因此最初恒溫差方式應(yīng) 用較多。但是，恒功率式相比恒溫差有幾個(gè)不可 替代的優(yōu)點(diǎn)，所以目前恒功率熱式流量計(jì)成為了 主流，這些優(yōu)點(diǎn)包括：

（1）恒功率式流量計(jì)的量程更大。隨著介質(zhì) 流量的增加，被加熱的電阻的熱量被迅速帶走。 對(duì)于恒溫差式流量計(jì)，要保持恒定的溫差，需要 加熱電路能夠快速反應(yīng)。但是，受輸出功率和線 路最大電流影響，流量計(jì)的加熱功率不可能無限 制增加，因此其最大值受到限制。而恒功率型的 則不受這點(diǎn)影響，其量程能夠做的比較大。

（2）恒功率流量計(jì)不容易受到臟濕介質(zhì)的影 響。恒溫差流量計(jì)需要快速調(diào)節(jié)溫度響應(yīng)，一般 熱電阻均比較細(xì)，而恒功率流量計(jì)熱電阻可以做 得比較粗。對(duì)于臟濕介質(zhì)測(cè)量時(shí)，較細(xì)的電阻, 其附著物對(duì)熱電阻散熱產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí) 使其測(cè)量精度大大降低。恒功率由于熱電阻可以 做的相對(duì)較粗，對(duì)臟濕介質(zhì)的測(cè)量會(huì)好很多。

（3）恒溫差式流量計(jì)不對(duì)溫度的變化進(jìn)行補(bǔ) 償，恒功率式卻能對(duì)全范圍溫度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ) 償。由于熱流量和平衡常數(shù)隨溫度的變化而變化， —般在30 蚓的范圍內(nèi)為常數(shù)，當(dāng)測(cè)量氣體溫度超 過這一范圍時(shí)，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均 會(huì)發(fā)生變化。恒功率式流量計(jì)由于其測(cè)量原理， 能對(duì)全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù) 進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

（4）恒功率與恒溫差式流量計(jì)在耐高溫方面 有著顯著的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫 可以做到454 ℃,而恒溫差的流量計(jì)一般都在 260℃以內(nèi)，這對(duì)于測(cè)量過熱蒸汽而言，其適應(yīng)性 有很大的差別。

3. 4恒功率插入熱式流量計(jì)測(cè)量原理

綜上所述，本次課題我們決定選用恒功率熱 式插入流量計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。該型流量 計(jì)的插入探頭帶有2個(gè)鉑熱電阻傳感器，以一定 的位置置于流體中，其中一個(gè)給予加熱功率P,使 其溫度升至A,另一個(gè)不加熱，用于監(jiān)測(cè)介質(zhì)溫 度，設(shè)為八。于是2個(gè)溫度傳感器之間產(chǎn)生溫差 AT = T1 - T2。在流量為零時(shí)，AT最大，隨著介質(zhì) 流量Q的增大，溫度傳感器T1的熱量被帶走，T1 減小，AT減小。因此，上述的加熱功率P、溫差 AT與質(zhì)量流量Q之間存在對(duì)應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，對(duì)于 恒功率熱式流量計(jì)而言，加熱功率P等于常數(shù)P。。 根據(jù)流體力學(xué)，該函數(shù)關(guān)系可用下式表示：

4.熱式流量計(jì)同孔板流量計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)分析

熱式流量計(jì)由于其獨(dú)特的原理和結(jié)構(gòu)，使其 具備一些常規(guī)儀表所不具備的特點(diǎn)，同傳統(tǒng)的以 孔板為代表的差壓流量計(jì)相比較，熱式流量計(jì)的 主要優(yōu)勢(shì)如下：

（1）具備較高的量程比，最高可達(dá)1 000 ： 1, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過孔板流量計(jì)的3 ： 1,基本覆蓋了一般工 業(yè)企業(yè)的流速范圍，能夠極大地方便技術(shù)人員選 型，易于管理，提高了系統(tǒng)的可靠性。

（2）不需要進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償，直接測(cè)量 流體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，簡(jiǎn)化 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少維護(hù)量。

（3）同節(jié)流裝置相比，幾乎無壓力損失，減 少介質(zhì)能耗。

（4）一次元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用不銹鋼或特種 合金外殼覆蓋，不怕臟污或腐蝕，不存在堵塞問 題，且插入式結(jié)構(gòu)便于維護(hù)清洗。

（5）傳感器對(duì)流量的變化非常靈敏，測(cè)量精 度高。

通過對(duì)熱式流量計(jì)的原理和特點(diǎn)分析，特別是 高量程比和不需要溫度壓力補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn)，非常符合 現(xiàn)場(chǎng)需求。通過分析可以認(rèn)為，熱式流量計(jì)能夠較 好地解決鋼鐵企業(yè)氧氮?dú)逵?jì)量中存在的問題。

5.應(yīng)用及效果

確認(rèn)選型以后，我們?cè)谠撲撹F公司氧氮?dú)蹇?/span> 管各安裝了 1臺(tái)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)，運(yùn)行了一 段時(shí)間以后，效果令人滿意，以2017年1~4月份 的氧氣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。

同2016年1 ~4月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)相比，更換流量 計(jì)后，總管和支管統(tǒng)計(jì)數(shù)量相比，從負(fù)差變成了 正差，但是差額從四位數(shù)降到了三位數(shù)，誤差率 的絕對(duì)值從10%左右降到了不到3%?？梢哉J(rèn)定, 這次技術(shù)改造收到了良好的效果。

6.結(jié)束語(yǔ)

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)作為一種新型的流量檢 測(cè)儀表,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，無壓損,靈敏度 高，不需要溫壓補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，尤其該型儀表具備其 他常規(guī)儀表所不具備的超高量程比特點(diǎn)，能夠適應(yīng) 各種復(fù)雜的工況和計(jì)量性能要求,在鋼鐵、有色、化 工、環(huán)保、電力等領(lǐng)域具備廣泛的應(yīng)用空間。