Binder公司自行開發、研制、生產的COMBIMASS系列熱式流量計

    熱式流量計是利用熱學傳熱原理檢測流量的儀表（利用流體通道內或管壁外與加熱體之間的熱量交換關系來測流量）。20世紀60年代美國在為宇航業所需要的氣體提供流量控制時，開發出了熱式質量流量計產品，其后廣泛應用于半導體工業制造設備上，得到很大發展，而后又擴展到其他工業領域。

    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移效應的熱分布式儀表和基于金氏定律的熱擴散效應侵入式儀表，侵入式儀表結構上又按熱檢測元件進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。插入型熱擴散效應儀表是由一組或多組檢測元件組成的獨立檢測探頭和轉換器組成，多組熱檢測元件儀表，通常用于大管徑內氣體流量測量，如大型通風管道，煙道圓管或矩形管。

    隨著工業生產技術的飛躍發展，流量測量面臨的任務更加繁重，要求也越來越高。由于物料平衡，熱平衡以及儲存，經濟核算等所需要的都是質量而并非體積，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，在多數場合下，如果管路確定并保持某個一定的工作狀態，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到測量目的。而在溫度和壓力變化很大的狀態下，流體的密度變化大，這使得體積流量測量的方法毫無意義，更談不上準確性，這時就需要采用精度更高的質量測量方法。近年來，直接檢測質量流量方法的所謂直接式質量流量計已實用化，通常不受介質溫度，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，可直接由質量流量轉換到標況流量（Nm3/h），便于用戶的計量核算需求。

圖1 熱擴散式測量原理圖

    熱擴散式測量原理

    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，損失的熱量和質量流量成函數關系，Q = qM Cp T 。其中：Q= 吸收的熱量，qM=氣體質量流量，Cp=氣體的比熱容，T=溫度差。

    該函數關系經過推導得到：qM=Q/Cp?T。當T=常數時，我們可以得qM=f（Q）的函數關系。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，從而得到相對應的質量流量，該工作原理我們稱之為恒溫差原理。流量測量的響應時間非常快，通常能達到幾個毫秒，即使非常高的流速也能進行測量，但其對電子器件的質量要求非常高，如何精確地控制加熱電流非常關鍵。另外由于其響應速度非常快，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、冷凝物混在所測量的氣體介質內。通常這種原理的熱擴散式氣體質量流量計可用于測試和標定裝置上各種干凈氣體的測量以及動態過程的監視。

圖2 熱式流量計

    當Q = 常數時， 我們可以得到qM=f （1/T）的函數關系，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，從而得到相對應的質量流量計，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，檢測輸出信號穩定性好，對外界干擾不敏感，如粉塵、雜質、冷凝物混在所測量的氣體介質內，即使是小流量也能達到精確測量，如汽車尾氣，煙道氣等，檢測響應時間大概是幾秒鐘左右。通常這種原理的熱擴散氣體質量流量計可用于各種流程工業測量與控制使用，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，研制，生產的熱式流量計，有超過40年的為客戶提供現場測量與控制解決方案的專業經驗，特別是在比較困難的工況也能提供特殊的解決方案。Binder公司還可以根據用戶的現場應用要求，提供恒溫差或者恒功率兩種原理的熱擴散式氣體質量流量計。

圖3 實驗室標定。

    COMBIMASS流量計的優點

    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。因為一般工業儀表在實際現場使用過程中，與測量介質接觸部件受到損壞通常是在焊接點處遭到破壞。傳感器部件幾乎無壓力損失，不會產生衛生死角，堵塞等情況，影響到傳感器信號的采樣。高精度的熱電阻，采樣信號優異的長期穩定性，信號漂移很小。與介質接觸部件的材質標準配置為不銹鋼，可根據介質的情況提供多種選擇，如：哈氏合金、鉭、因康鎳合金等，也可根據用戶的工況條件特殊定制。電子器件機殼使用全不銹鋼，即使在惡劣的環境下，也能保證良好的耐環境腐蝕性。可選購特殊設計的不銹鋼壓緊部件過程接口，該過程接口經過特殊設計，可保證從管道上多次拆卸流量計不會損壞。根據不同介質的情況選擇不同類型的 COMBIMASS系列流量計，介質溫度可達800℃，壓力可達100 bar，量程比寬，可達1000:1，流速可達400 Nm/s。

    多種測量方案

    Binder公司可以根據用戶實際現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，具有數據記錄、分析、診斷和顯示功能。多點測量主要應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，具有數據記錄、分析、診斷和顯示功能。

圖4 流動調整器

    CAMASS特殊標定技術

    Binder公司的每臺流量計出廠前將在CAMASS標定中心進行測試標定，模擬實際被測量介質成分、壓力、溫度和流量范圍。

    通常熱擴散流量計如果計入流通通道面積測量誤差，速度分布系數變化等不確定因素，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實流標定后，能達到較高的精確度。在現場安裝條件下校準，或在相同于現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。

    Binder公司的CAMASS標定中心也可以提供特殊標定，模擬現場的安裝條件，如管道現場安裝情況，可以補償由于管道布置導致流態的失真對流量測量的影響，這樣現場直管段不足導致管道流態不規則的情況，也能保證精確測量。

    流動調整器

    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不規則，現場前后直管段無法達到理想要求，提供另外一種解決方案是在流量計前安裝流態調整器，可以調整管道中氣體的流動分布，幾乎無壓力損失，安裝該設備通常流量計前后直管段只要3~7D左右。設備經久耐用，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量流量，因為通過一個熱傳遞傳感器補償了氣體組分變化的影響。

    特殊應用案例

    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，短時間內火炬氣流速能達到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氫化合物、H2、H2S、CO2、N2等，每種氣體的相對百分比也在持續變化，從而決定了火炬氣的平均分子量及密度也不斷變化；火炬氣系統的操作壓力極低，經常只有幾毫巴；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，容易使傳感元件結垢和堵塞，因此帶小孔和活動的傳感元件的應用受到限制；火炬氣的溫度變化范圍很大，從零下幾十度的低溫到三、四的高溫變化。

    火炬氣的質量流量較體積流量更有實用價值；而對測量質量流量來說，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償可以測量質量流量，但對實際生產中的火炬氣來說確定補償的基準點是非常難的，或者說根本沒有基準點。

    Binder公司研發了針對這種特殊工況應用的解決方案，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個專用的控制器內進行數據的補償和處理，可以顯示和輸出經過補償后的氣體流量。2臺流量計在管道上安裝位置的間距特殊定義，在出廠前流量標定時按照此安裝位置進行實際工況氣體標定，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，該補償的流量計安裝在管道上人為制造的一個零流量區域，主要測量氣體組分變化導致比熱容變化Cp影響的氣體流量讀數。

    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是可燃氣體。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定，精確和有效的沼氣測量系統的市場需求逐漸增多，由于沼氣當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。

    對于的沼氣系統來說，如果沒有精確的在線流量測量和成分分析技術，很難實現沼氣系統運行經濟有效和環保，在發酵的每個階段有必要知道沼氣的成份和質量。Binder公司可提供氣體分析和流量測量系統，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量分析。