热扩散式质量流量计精度的进步

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1、热扩散式质量流量计精度的进步newmaker热式传感技术的进步自从热电偶技术和早期的热线式风速计产生之后，热式流量丈量技术已经有了长足的进步。热式技术以热传导为基础，一般是根据两个温度传感器间的温差产生一个直接与温差和质量流量成比例的信号。很久以来，热式流量传感器在很多行业中得以应用，并满足了一些特殊的要求。现代化的热式流量传感器在设计上已由实验室设备进化为了牢固的过程设备，每一代新产品都在传感器性能方面有突破性的进步。早期的热式产品设计者们在维持生产公差、温度跟踪及符合产业封装标准方面经历了很

2、多挑战。这些挑战使得设计者们采用更牢固、生产上更具备一致性的热电阻（RTD）。基于热电阻的流量传感器很快被分类，并与早期的温差设备相关联，并且成为了热式流量传感器家族的一部分。随着RTD的改进，生产商们更向倾于采用铂缠绕低质量型设计。随着时间的推移，生产技术向更小公差的方向演变，从而使得两个RTD的配对成为了控制上越来越严格的过程。由于大部分现代化的热式设计是基于两个RTD之间的差值，因此RTD在构造上一定要一致。早期，FCI和其他一些厂家意识到了这一点，并且FCI设计出了第一个等质量传感器构造

3、。这种传感器设计确保了传感元件在追踪过程变化的时候可以保持一贯性。等质量设计是一种突破性的进展，大大拓宽了热式传感原理的使用范围，使之在多种过程应用中有了用武之地。随着制造技术、填充方法、热道时效及材料优化等方面的进步，产品的性能也有了逐步的进步。如今，FCI及其他采用最新RTD生产技术的公司，通过使用平版印刷蚀刻芯片RTD，真正避免了RTD间的生产公差，使得RTD的调整成为简单、可复制的步骤。因此，可以用极低的本钱生产出高质量、易配对的RTD。这一进步直接推动了热式技术向更高性能更低本钱的方向

4、发展。微处理器推动性能的进步当热式传感技术在一致性和稳定性方面不断发展时，信号处理及硬件方面也有了突破性进展。FCI在标定数据收集和信号处理方面取得了进展，并且通过先进的曲线拟合演算法逐步进步了产品性能。下图展示了FCI突破性的曲线拟合方法，这种方法进步了产品性能和精度。从图1的常见误差差频宽可以看出传统型产品的局限性。而采用D2P曲线拟合方法的FCI的热式质量流量计，与传统型产品形成了鲜明对比。近年来，误差和不确定性缩减有了重大进展，使FCI产品在保持1001量程比的条件下，达到了0.5%的标

5、定精度。图1FCI的D2P曲线拟合方法带来的性能进步标定方法及NIST可溯源设备填补了空缺传感及信号处理上的发展对标定程序和方法提出了更高要求。为了使热式流量仪表真正成为高端产品并满足用户现场工况，制造商必须将产品的改进与合格、高精度的标定相结合。这意味着，要么必须将产品送往专业的流量标定实验室进行标定，或者斥巨资自行搭建标定设备。FCI公司拥有自行投资兴建的，具备研发和产品标定双重功能的标定实验室，可以对包括惰性气体和危险气体以及液体在内的多种介质在很宽的量程范围内进行标定。由于冷却率与介质热

6、物理特性（如粘度、密度、比热、热导性及热膨胀系数等）呈函数关系，对热式传感技术的优化需要拥有流体方面丰富的经验。随着新的模型和等式推导方法的出现，使用参照气体进行标定已经可以达到2~3%的读数精度，然而有一点相当明确，要实现最佳性能必须使用实际气体或实际液体进行标定。象FCI这样拥有完善的标定实验室的公司，可以在实际液体介质（如水或果汁、碳氢化合物及冷却剂）中进行标定；同时，也可以在各种气体介质（从惰性气体到危险混合气、低密度气体如氢气和氦气等）中进行标定。符合实际介质的标定、自动数收集及高精度

7、的流量参照标准（如音速喷嘴、超声波多普勒和科里奥力流量计等）造就了好于0.5%读数的精度。图2所示为FCI的气体音速喷嘴和混合气标定台。图2FCI标定实验室的混合气和音速喷嘴标定台将实验室结果应用到现场将实验室标定结果应用到现场的安装位置对所有的流量丈量原理来说都是个挑战。直管段、实际安装、流层、过渡流形、紊流强度、漩涡、脉动及宽量程范围等过程条件是所有流量丈量原理共同的困难。热式原理是18”管线到30英尺管道上经济、精确的流量丈量选择。使用热式原理并且选择正确的型号对于达到最高的现场安装精度很

8、关键。对于2”及2”以下管径的应用，大部分热式产品制造商提供“在线式”构造，提供一截固定着传感头的管段，这样的构造避免了固定、偏移、施转或插件进长度导致的误差。同时，很多“插进式”产品也通过改进安装方式避免或大幅降低了安装变量的影响。位置锁定或键盘编码式插进、多传感装置、深度标尺、方位标记等方法确保了插进式流量元件的安装，适用于4”到几米管径。流体调整拓宽了安装位置的选择范围流体调整被很多流量丈量原理所采用以进一步完善丈量。调整器提供出色的隔离、漩涡消减，并且真正做到了无压损。这种流体调整方法神