引言

氣體質(zhì)量流量測量是目前生活和工業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的一部分［1］。在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場和科學(xué)實(shí)驗(yàn)等很多情況中，都需要進(jìn)行氣體質(zhì)量流量測量，如控制生產(chǎn)過程中各種物質(zhì)的配比，監(jiān)視生產(chǎn)運(yùn)行情況，調(diào)控燃燒效率和環(huán)境等［2 － 3］。因此，氣體質(zhì)量流量測量在保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約能源及在環(huán)保方面都有很重要的作用［4］。根據(jù)不同的測量原理，目前氣體質(zhì)量流量計(jì)主要有科里奧利質(zhì)量流量計(jì)、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)、差壓式質(zhì)量流量計(jì)等。綜合產(chǎn)品價(jià)格、測量精度，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在醫(yī)藥、化工、能源領(lǐng)域中使用非常為廣泛［5］。

 

七一一研究所多年來從事船用發(fā)動(dòng)機(jī)和供氣系統(tǒng)研發(fā)，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒效率，需要合理配比燃油和氧氣的質(zhì)量流量，因此采用了測量精度較高的熱分布?xì)怏w質(zhì)量流量計(jì)測量氧氣的質(zhì)量流量。但在流量計(jì)使用過程中出現(xiàn)諸多故障，有些故障的原因較為簡單，有些故障的原因則難以判斷。該文主要介紹了在使用熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)中遇到的各類故障及故障原因分析，從而為熱分布?xì)怏w質(zhì)量流量計(jì)使用人員在故障診斷和故障處理時(shí)提供幫助。 

1 熱分布式氣體流量計(jì)測量原理

熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)( Thermal Profile Mass Flow Meter) ，又稱毛細(xì)管熱式質(zhì)量流量計(jì)( Capillary Thermal Mass FlowMeter，CTMF) ［6］，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示，測量原理如圖 2 所示。薄壁測量管外壁繞著兩組兼作加熱器和檢測元件的繞組，組成惠斯登電橋，由恒流電源供給恒定熱量，通過線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導(dǎo)熱量給管內(nèi)流體。邊界層內(nèi)熱的傳遞可以看作是熱傳導(dǎo)方式實(shí)現(xiàn)。在流量為零時(shí)，測量管上的溫度分布如圖 2 中虛線所示，相對(duì)于測量管中心的上下游是對(duì)稱的，由線圈和電阻組成的電橋處于平衡狀態(tài)，2 個(gè)傳感器測量的溫度相同;當(dāng)流體流動(dòng)時(shí)，流體將上游的部分熱量帶給下游，導(dǎo)致溫度分布變化如圖 2 中實(shí)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，便求出氣體的質(zhì)量流量［7 － 8］。由此可知?dú)怏w質(zhì)量流量 qm的計(jì)算公式為:

式中: Cp為被測氣體的定壓比熱容; A 為測量管繞組( 即加熱系統(tǒng)) 與周圍環(huán)境熱交換系統(tǒng)之間的熱傳 導(dǎo)系數(shù); K1為儀表常數(shù)。

由于毛細(xì)管能夠通過的流量較小，為了擴(kuò)大儀表量程，人們?cè)诨�本型�?CTMF 流量計(jì)的基礎(chǔ)上提出分流式 CTMF 流量計(jì)，即在主流道內(nèi)安裝層流阻流件，以恒定比值分流部分流體到毛細(xì)測量管。因 此，對(duì)于分流式 CTMF 流量計(jì)，氣體質(zhì)量流量的計(jì)算公式為:

式中: K3為分流系數(shù)，即流經(jīng)毛細(xì)管的氣體流量占總的氣體流量之比。

 

由此可知，影響熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量的主要參數(shù)有: 1) 電路元件自身參數(shù)，包括電阻、發(fā)熱功率等; 2) 分流系數(shù); 3) 被測氣體熱容; 4) 測量管與環(huán)境換熱系數(shù)。

 

 2 常見故障現(xiàn)象及統(tǒng)計(jì)

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)主要是測量氣體的質(zhì)量流量并輸出信號(hào)。該文對(duì) 214 臺(tái)使用時(shí)間在兩年內(nèi)的流量計(jì)出現(xiàn)的故障進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并根據(jù)不同故障原因?qū)е碌墓收犀F(xiàn)象進(jìn)行分類，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象主要為: 1) 測量結(jié)果偏差在 2% ＜ ε ＜ 5% ; 2) 測量結(jié)果偏差在 5% ≤ε≤10% ; 3) 測量結(jié)果偏差 ε ＞ 10% ; 4)無信號(hào)輸出; 5) 零點(diǎn)偏差。在這 4 種情況中，流量計(jì)測量結(jié)果偏差在 2% ＜ ε ＜ 5% 的故障現(xiàn)象占比非常大，為 64% ; 流量計(jì)測量結(jié)果偏差在 5% ≤ε≤10%次之，占比為 21% 。熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)常見故障現(xiàn)象統(tǒng)計(jì)見圖 3。

3 故障原因及分析

3． 1 毛細(xì)測量管外氣氛環(huán)境改變

在熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)使用過程中，發(fā)現(xiàn)多臺(tái)流量計(jì)在使用不到 1 個(gè)月后，測量精度偏差達(dá)到 － 10% 。經(jīng)檢測排查，發(fā)現(xiàn)故障原因?yàn)橹髁鞯纼?nèi)被測氣體泄漏至密閉的測量殼內(nèi)并累計(jì)，導(dǎo)致毛細(xì)測量管外氣氛環(huán)境改變。

 

根據(jù)式( 2) 可知，熱分布?xì)怏w質(zhì)量流量計(jì)測量精度受毛細(xì)測量管與環(huán)境的換熱系數(shù) A 影響。由于目前的熱分布?xì)怏w質(zhì)量流量計(jì)在出廠標(biāo)定時(shí)，毛細(xì)測量管均處于空氣環(huán)境中，當(dāng)被測氣體泄漏導(dǎo)致毛細(xì)測量管外氣氛變化后，將影響毛細(xì)管與環(huán)境的換熱，從而影響流量計(jì)的測量精度。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，將毛細(xì)測量管至于高濃度氧氣( O2 ) 環(huán)境中，流量計(jì)的測量偏差可下降至 － 5% ～ － 10% 。隨后使用空氣吹掃毛細(xì)測量管后，流量計(jì)測量精度即可恢復(fù)正常。

 

造成被測氣體泄漏的主要原因是毛細(xì)測量管和主流道之間的密封失效。解決該問題的主要途徑需要流量計(jì)制造廠商提高該處的密封可靠性。作為用戶，可定期吹掃，預(yù)防毛細(xì)管外氣氛發(fā)生變化。

 

 3． 2 流量計(jì)進(jìn)水

流量計(jì)進(jìn)水也是導(dǎo)致熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)故障的常見原因之一。為了分析進(jìn)水對(duì)熱式流量計(jì)的影響，開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。

 

首先對(duì)進(jìn)水后的流量計(jì)連續(xù)進(jìn)行 6 次檢測，然后將流量計(jì)晾置 3 天后，再進(jìn)行 3 次檢測，得到如圖4 所示的試驗(yàn)結(jié)果，每次檢測試驗(yàn)時(shí)間約 30 min。試驗(yàn)用熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)未進(jìn)水前測量偏差為 － 1． 1% ＲD。從圖中可以看出，該流量計(jì)進(jìn)水后，流量計(jì)測量偏差明顯增大，且測量值要大于標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的測量值。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，流量計(jì)內(nèi)的水被不斷吹走，測量偏差逐漸減小，但短時(shí)間內(nèi)仍未恢復(fù)正常。當(dāng)流量計(jì)晾置 3 天后再次進(jìn)行測量，測量偏差恢復(fù)正常。

熱分布?xì)怏w質(zhì)量流量計(jì)進(jìn)水后導(dǎo)致測量值大于實(shí)際值的主要原因有: 1) 液態(tài)水夾雜在層流阻流件內(nèi)，導(dǎo)致主流道內(nèi)流阻增大，實(shí)際氣體流量減小，從而測量值偏大; 2) 液態(tài)水流入毛細(xì)測量管內(nèi)，強(qiáng)化了毛細(xì)測量管與被測氣體/水混合物之間的換熱，使得在相同氣體流量下，從上游帶給下游的熱量更多， ΔT 增加，導(dǎo)致測量結(jié)果偏大。因此在使用熱分布?xì)怏w質(zhì)量流量計(jì)時(shí)，只能用于測量干燥和潔凈的氣體，并避免上下游飽和蒸汽在流量計(jì)內(nèi)凝結(jié)。 

 

3． 3 層流阻流件松動(dòng)

層流阻流件的主要作用是將湍流的氣體變成層流的氣體，從而實(shí)現(xiàn)毛細(xì)測量管內(nèi)氣體流量和主流道內(nèi)流量為一個(gè)固定的比例。當(dāng)熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)層流阻流件松動(dòng)后，將影響流量計(jì)的分流系數(shù) K3，從而影響氧流量計(jì)的精度。圖 5 為某熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)層流阻流件結(jié)構(gòu)，其緊固件為 3個(gè)細(xì)牙螺母。

一般情況下，當(dāng)層流阻流件松動(dòng)后，流經(jīng)主流道內(nèi)的氣體流量增多，K3 值增大，流量計(jì)測量流量結(jié)果小于實(shí)際流量，即流量計(jì)測量偏差為負(fù)值。在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)層流阻流件松動(dòng)時(shí)，流量計(jì)的精度急劇下降，流量計(jì)的測量偏差可達(dá) － 20% 及以上。

 

因此，熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)在運(yùn)輸時(shí)應(yīng)做好防護(hù)，防止劇烈撞擊和振動(dòng)。同時(shí)流量計(jì)在安裝使用時(shí)，也應(yīng)盡量遠(yuǎn)離振動(dòng)源，并定期標(biāo)定。

 

 3． 4 被測氣體狀態(tài)改變

從式( 2) 可以看出，熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)測量結(jié)果與氣體的物性有關(guān)，尤其是比熱容 Cp。因此盡管熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)響應(yīng)質(zhì)量流量的變化，當(dāng)被測氣體狀態(tài)的變化，例如混合氣體的成分、過程壓力和( 或) 溫度的變化會(huì)影響比熱容，從而影響流量計(jì)的性能。

 

當(dāng)被測氣體為氧氣( O2 ) 時(shí)，壓力變化對(duì)熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量精度影響約為 ± 0． 15% /bar;當(dāng)被測氣體為氮?dú)? N2 ) 時(shí)，壓力變化對(duì)熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量精度影響約為 ± 0． 1% /bar，當(dāng)被測氣體為氫氣( H2 ) 時(shí)，壓力變化對(duì)熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量精度影響約為 ± 0． 01% /bar。溫度變化對(duì)熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量精度影響則約為 ± 0． 05% /℃。壓力和溫度變化對(duì)熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的影響值主要依賴于氣體比熱容的變化，因此用戶可以根據(jù)被測氣體的比熱容變化來反推氣體壓力和溫度對(duì)流量計(jì)測量精度的影響程度。

 

一般情況下，流量計(jì)訂購時(shí)需提供被測氣體種類、工作壓力點(diǎn)和溫度點(diǎn)，廠家在出廠前會(huì)對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，使其在要求的工作環(huán)境下滿足測量精度要求。對(duì)于大部分工業(yè)應(yīng)用，氣體種類和氣體工作壓力可以很好控制，但氣體溫度往往隨著環(huán)境溫度變化而變化，從而引起測量誤差。因此，當(dāng)被測氣體狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，需要對(duì)這些變化進(jìn)行補(bǔ)償。 

 

3． 5 使用環(huán)境溫度過高或過低

一般熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的正常使用環(huán)境溫度為 － 10 ～ 70 ℃，使用環(huán)境溫度過高( ＞ 70 ℃，如發(fā)動(dòng)機(jī)艙室內(nèi)) 或過低( ＜ － 10 ℃，如北方寒冷地區(qū)) 也會(huì)影響熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)的測量精度。因?yàn)闊岱植际綒怏w質(zhì)量流量計(jì)的測量原理是基于毛細(xì)測量管的溫度變化，并且毛細(xì)測量管上發(fā)熱繞組的發(fā)熱量很小，外界環(huán)境溫度過高或過低會(huì)影響毛細(xì)管的溫度分布。雖然流量計(jì)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)對(duì)毛細(xì)測量管采取了一定的保溫措施，以減少毛細(xì)測量管和外界環(huán)境之間的對(duì)流換熱和輻射換熱，但是當(dāng)外界環(huán)境溫度過高或過低時(shí)，從流量計(jì)殼體熱傳導(dǎo)過來熱量也會(huì)影響毛細(xì)測量管上溫度分布，從而影響氧流量計(jì)精度。 

 

3． 6 流量計(jì)被堵塞

流量計(jì)被堵塞也是導(dǎo)致流量計(jì)測量偏差的原因之一。當(dāng)層流阻流件被雜質(zhì)堵塞后，主流道內(nèi)流阻增加，實(shí)際流量減小，測量值比實(shí)際值偏大; 當(dāng)毛細(xì)測量管被雜質(zhì)堵塞后，毛細(xì)測量管內(nèi)流量減少，導(dǎo)致測量值比實(shí)際值小。

 

目前熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)在使用時(shí)，上游均會(huì)安裝濾器防止雜質(zhì)堵塞流量計(jì)，因此該類故障較少發(fā)生。但是需要注意的是在流量計(jì)在定期標(biāo)定往返途中的防塵保護(hù)，以及需要定期清洗流量計(jì)上游的濾器。 

 

3． 7 其他

除以上故障原因外，熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)在使用過程中還存在電路板損壞導(dǎo)致無信號(hào)輸出、傳感器故障導(dǎo)致零點(diǎn)存在偏差、以及電子元器件老化( 尤其是發(fā)熱繞組的老化，導(dǎo)致繞組的發(fā)熱功率和電阻產(chǎn)生變化) 導(dǎo)致流量計(jì)測量精度下降等故障原因。這些故障發(fā)生概率較低，出現(xiàn)故障后選擇返廠維修處理。 

 

4 結(jié)語

在熱分布式氣體質(zhì)量流量計(jì)使用過程中，測量精度降低是流量計(jì)的主要故障現(xiàn)象。而導(dǎo)致該故障的原因眾多，主要有: 毛細(xì)測量管外氣氛環(huán)境改變、流量計(jì)進(jìn)水、層流阻流件松動(dòng)、被測氣體狀態(tài)改變、使用環(huán)境溫度過高或過低、電子元器件老化等。其中故障原因毛細(xì)測量管外氣氛環(huán)境改變和層流阻流件松動(dòng)較難發(fā)現(xiàn)，且對(duì)流量計(jì)測量精度影響較大，需要得到重視和關(guān)注。故障原因流量計(jì)進(jìn)水、被測氣體狀態(tài)改變、使用環(huán)境溫度過高或過低、電子元器件老化相對(duì)容易發(fā)現(xiàn)，但也需要使用者在使用流量計(jì)時(shí)按照流量計(jì)使用要求使用，并定期對(duì)流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定。