摘要：高純氣體具有組分穩(wěn)定，無(wú)塵、無(wú)水滴、無(wú)油污的特點(diǎn)，為流量測(cè)量和流量計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件。通過(guò)對(duì)比差壓式流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理及在高純氣體實(shí)際測(cè)量中的應(yīng)用，介紹了選用兩種流量計(jì)的條件，分析了差壓式流量計(jì)和熱式質(zhì)量流量計(jì)在實(shí)際測(cè)量中存在的誤差原因，并給出了相應(yīng)解決方案。

         高純氣體在各行各業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)都有廣泛的用途，它通常由空氣分離工藝制取，氣態(tài)高純氣體經(jīng)管道或鋼瓶集裝格輸送給用戶，液態(tài)產(chǎn)品用槽車(chē)運(yùn)輸給用戶。在用管道輸送高純氣體的流程中，貿(mào)易交接計(jì)量通常為氣體流量計(jì)，流量計(jì)的公稱通徑從５０ｍｍ到幾百毫米。多數(shù)交接量大、結(jié)算金額高的交接點(diǎn)，往往是供需雙方各裝１套流量計(jì)，從而做到公平計(jì)量，萬(wàn)無(wú)一失。關(guān)于高純氣體流量計(jì)的選型，由于測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)和傳統(tǒng)習(xí)慣，大多選用標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，該類流量計(jì)具有下列特點(diǎn)［１２］：１）穩(wěn)定性和可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)，維護(hù)和更換簡(jiǎn)單、方便。２）流量測(cè)量范圍寬。３）測(cè)量準(zhǔn)確度能滿足氣體貿(mào)易交接的需要。４）計(jì)量檢定方便。大多采用幾何檢定法進(jìn)行檢定，操作簡(jiǎn)單而且費(fèi)用較省。有的供方（或需方）要求在經(jīng)過(guò)幾何法檢定之后，再用實(shí)流檢定法檢定一次。實(shí)踐證明，如果１套流量計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)都是合格的，則實(shí)流檢定結(jié)果也會(huì)是合格的。５）價(jià)格相較于科里奧利質(zhì)量流量計(jì)便宜很多。６）量程比窄是孔板流量計(jì)的一大缺點(diǎn)，但是近年來(lái)蓬勃發(fā)展雙量程孔板流量計(jì)，能將其量程比擴(kuò)大到３３倍，而且達(dá)到１．０％不確定度，從而彌補(bǔ)了該缺陷［３４］。

１高純氣體的特點(diǎn)及其對(duì)流量測(cè)量的影響

         高純氣體的純度極高，組分的變化完全可以忽略不計(jì)，因此，氣體的密度除了受溫度、壓力及壓縮系數(shù)影響之外，無(wú)其他因素。而且因?yàn)楦呒儦怏w無(wú)灰塵、無(wú)水滴、無(wú)油污，為高純氣體流量的準(zhǔn)確測(cè)量創(chuàng)造了優(yōu)越的條件。

         用差壓式流量計(jì)測(cè)量蒸汽流量時(shí)，必須將氣相的差壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成凝結(jié)水的差壓信號(hào)。該轉(zhuǎn)換如果處理不當(dāng)，會(huì)引入些許測(cè)量誤差。另外，當(dāng)蒸汽進(jìn)入飽和狀態(tài)后，由于管道內(nèi)兩相流的存在，也會(huì)增加一定的測(cè)量誤差，當(dāng)然，兩相流對(duì)渦街流量計(jì)的影響更大。而當(dāng)被測(cè)流體為高純氣體時(shí)，由于流體是干燥的，完全不存在兩相流和氣相轉(zhuǎn)液相的問(wèn)題，所以，達(dá)到規(guī)定的準(zhǔn)確度更有保證。

２高純氣體測(cè)量案例

２．１測(cè)量案例一

         福建某公司向鄰近另一家公司供氣的管網(wǎng)如圖１所示。供方在上游管道上裝了３套ＦＤＩｄ型雙量程標(biāo)準(zhǔn)差壓流量計(jì)用于貿(mào)易交接計(jì)量，需方在下游裝了３套與上游相同型號(hào)規(guī)格的流量計(jì)用于監(jiān)測(cè)。

         ６套流量計(jì)投運(yùn)后，ＦＩＱ０３和ＦＩＱ０４之間，ＦＩＱ０５和ＦＩＱ０６之間，２４ｈ累積流量差值小于０．５％；ＦＩＱ０１和ＦＩＱ０２之間，２４ｈ累積流量差值略大于１％，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)檢查后的原因是ＦＩＱ０１的差壓變送器由于用水實(shí)流檢定時(shí)水未排盡，高低壓室內(nèi)有殘存的水。將殘存的水排盡后，上下游流量計(jì)示值差回到０．５％以內(nèi)。

２．２測(cè)量案例二

青海某單晶硅廠將氧氣、氮?dú)夂蜌錃夥謩e通過(guò)ＤＮ５０，ＤＮ５０和ＤＮ８０管道送到下游的光纖廠。為了貿(mào)易交接，供方在上游安裝了３套ＦＤＩｄ型雙量程差壓流量計(jì)，需方則在下游安裝了３套用于監(jiān)測(cè)的流量計(jì)，為了節(jié)省投資，選用了熱式質(zhì)量流量計(jì)（ＴＭＦ）。

該６套流量計(jì)投入運(yùn)行后，３路氣體的２４ｈ累積流量都表現(xiàn)為上游大下游小，差值約為６％～１０％。其中氫氣流量差值非常大。

         由于上下游計(jì)量結(jié)果差值較大，而且計(jì)量數(shù)據(jù)用于財(cái)務(wù)結(jié)算，所以雙方對(duì)此差值都非常關(guān)注。供方認(rèn)為，上游的雙量程差壓流量計(jì)準(zhǔn)確度高，量程比大，而且經(jīng)過(guò)政府授權(quán)機(jī)構(gòu)檢定合格，所以計(jì)量結(jié)果是可信的。而需方認(rèn)為，該廠選用的熱式

質(zhì)量流量計(jì)盡管價(jià)格便宜，但準(zhǔn)確度為１．５級(jí)，而且有出廠合格證書(shū)，計(jì)量結(jié)果也應(yīng)是準(zhǔn)確的。雙方爭(zhēng)執(zhí)不下，于是咨詢了專業(yè)人士。技術(shù)原因分析如下。

３熱式質(zhì)量流量計(jì)在高純氣體流量測(cè)量中的應(yīng)用

３．１熱式質(zhì)量流量計(jì)工作原理

         熱式質(zhì)量流量計(jì)按檢測(cè)件的結(jié)構(gòu)分類，有熱分布型和基于金氏定律的浸入型。在管徑較大時(shí)，用的都是后者。

         金氏定律浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)又分溫差測(cè)量法和功率消耗測(cè)量法。兩種測(cè)量方法雖不同，但都有２根鉑熱電阻，分別置于氣流中的２根金屬細(xì)管內(nèi)，其中一根熱電阻測(cè)量氣流溫度為θ１，另一根熱電阻經(jīng)功率恒定的電能加熱到溫度θ２，流量為０時(shí)，溫差Δθ＝θ２－θ１非常大，隨著質(zhì)量流量ｑｍ的增大，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測(cè)得Δθ就可計(jì)算出ｑｍ。消耗功率Ｐ、溫差Δθ與ｑｍ之間的關(guān)系如式（１）所示：

         式中：Ｋ１，Ｋ２———與檢測(cè)件幾何形狀及所測(cè)氣體物性如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容ｃ、黏度等有關(guān)的系數(shù)。Ｋ３———與雷諾數(shù)有關(guān)的系數(shù)［５６］。溫差測(cè)量法就是Ｐ為固定值，通過(guò)測(cè)量Δθ求得ｑｍ；功率消耗測(cè)量法則是改變Ｐ使Δθ為定值，

         從而由Ｐ求得ｑｍ。系數(shù)的值是每臺(tái)儀表在所測(cè)不同氣體時(shí)所特有的，因此浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)要用待測(cè)的實(shí)際氣體逐臺(tái)校準(zhǔn)。浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)原理如圖２所示。

３．２熱式質(zhì)量流量計(jì)誤差分析

         上游流量計(jì)的準(zhǔn)確度是±１．０％［４］，下游流量計(jì)的準(zhǔn)確度為±１．５％，兩者差異并不大，但是仔細(xì)分析后會(huì)發(fā)現(xiàn)其中原因。

         熱式質(zhì)量流量計(jì)由于其工作原理和結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，準(zhǔn)確度常用引用誤差或者示值誤差與引用誤差相結(jié)合的方法來(lái)表示［５６］。例如熱式質(zhì)量流量計(jì)市場(chǎng)份額居首位的ＦｌｕｉｄＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬＬＣ（ＦＣＩ）公司的ＳＴ９８型熱式質(zhì)量流量計(jì)，該流量計(jì)量程比為１０∶１或２０∶１，誤差Ｅ計(jì)算如式（２）所示。

式中：ｑｍ１———質(zhì)量流量實(shí)際值；ｑｍＦＳ———質(zhì)量流量滿度值。

當(dāng)流量為滿度值時(shí)，Ｅ＝±１．５％ｑｍ１；當(dāng)流量為１０％ｑｍＦＳ時(shí)，非常大誤差就達(dá)±６．０％ｑｍ１。如果流量更小，則非常大誤差變得更大。而雙量程差壓流量計(jì)，從參考文獻(xiàn)［４］中的圖４可知，在ｑｍ１＝３％ｑｍＦＳ和ｑｍ１＝１７．３％ｑｍＦＳ時(shí)，準(zhǔn)確度仍能達(dá)到±１．０％ｑｍ１［４］，從而使上下游２套流量計(jì)的計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)較大差異。

３．３替代法標(biāo)定引入的誤差

從熱式質(zhì)量流量計(jì)的標(biāo)定、檢定方法剖析，查找用于氫氣流量測(cè)量的上下游２套計(jì)量?jī)x表存在計(jì)量偏差的原因。

對(duì)于高純氫氣，其標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度是穩(wěn)定且已知的，所以用差壓式流量計(jì)測(cè)量其流量，能得到與測(cè)量氮?dú)夂脱鯕庀嗤�的�?zhǔn)確度。但是，用熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量氫氣流量時(shí)，出現(xiàn)另一個(gè)差異。即熱學(xué)特性的差異。

眾所周知，熱式質(zhì)量流量計(jì)在出廠前要經(jīng)過(guò)實(shí)流逐臺(tái)標(biāo)定，在送計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定時(shí)，也都要實(shí)流檢定。對(duì)于熱式質(zhì)量流量計(jì)來(lái)說(shuō)，氣體的種類是多種多樣的，不可能為每一種氣體都建流量標(biāo)定裝置。為了解決該問(wèn)題，一般采用替代法標(biāo)定、檢定。

ＧＢ／Ｔ２０７２７—２００６《封閉管道中流體流量測(cè)量熱式質(zhì)量流量計(jì)》／ＩＳＯ１４５１１：２００１規(guī)定，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)可使用和（或）類似于待測(cè)過(guò)程氣體的替代氣體校準(zhǔn)熱式質(zhì)量流量計(jì)。然后用Ｋ系數(shù)進(jìn)行修正或數(shù)值計(jì)算，轉(zhuǎn)換成待測(cè)過(guò)程氣體和（或）使用工況下的條件［５６］。文獻(xiàn)［５］中認(rèn)為，可直接用空氣標(biāo)定，然后用Ｋ系數(shù)修正。實(shí)驗(yàn)證明，不確定度［５，８］大約增加２％。文獻(xiàn)［５］給出的幾種氣體的轉(zhuǎn)換系數(shù)見(jiàn)表１所列。

　某制造廠提供的熱式質(zhì)量流量計(jì)換算系數(shù)見(jiàn)表２所列。

         該表格的非常后一行特別強(qiáng)調(diào)：不同資料來(lái)源，數(shù)據(jù)會(huì)有差異。

         采用該方法校準(zhǔn)流量計(jì)其實(shí)是不得已而為之。表１和表２中所列出的換算系數(shù)，反映了待用氣體的熱學(xué)特性與空氣的差異。對(duì)于案例二中所涉及的３種流體中，氮?dú)夂脱鯕獾臒釋W(xué)特性與空氣差異較小，因?yàn)榭諝獾闹饕�成份就是氮�(dú)夂脱鯕�，故采用換算方法引入的附加誤差理應(yīng)較小。但是氫氣與空氣相比差異就大了，氫氣的導(dǎo)熱系數(shù)是空氣的７倍，氫氣的密度只有空氣的７．１％，摩爾定壓比熱容ｃｐ更是相差了１３倍。這些差異都會(huì)給換算帶來(lái)較大的誤差。除此之外，流體的溫度和壓力也會(huì)給投入運(yùn)行的熱式質(zhì)量流量計(jì)的零點(diǎn)和量程帶來(lái)附加誤差。

３．４過(guò)程溫度和壓力對(duì)熱式質(zhì)量流量計(jì)的影響

         根據(jù)相關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需要在實(shí)際工作溫度、壓力條件下，用實(shí)際測(cè)量的氣體，進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整。關(guān)于溫度、壓力對(duì)量程的影響，ＧＢ／Ｔ２０７２７—２００６規(guī)定，必須有標(biāo)準(zhǔn)表提供工況條件下的參比測(cè)量值，才能進(jìn)行比對(duì)，然后進(jìn)行調(diào)整。而要找符合要求的標(biāo)準(zhǔn)表，往往是困難的。

         上述影響都會(huì)為熱式質(zhì)量流量計(jì)帶來(lái)較大的誤差。例如有一家生產(chǎn)銷(xiāo)售工業(yè)氣體的德國(guó)公司，定期為客戶用鋼瓶集裝格送氦氣，重車(chē)和空車(chē)均過(guò)秤，重車(chē)與空車(chē)的質(zhì)量差即為本次送貨量。

         而用戶端則用外國(guó)產(chǎn)熱式質(zhì)量流量計(jì)作為計(jì)量手段，兩個(gè)計(jì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)每次送檢重新投入使用后，熱式質(zhì)量流量計(jì)都要出現(xiàn)２０％左右的誤差（總量）。因此懷疑該誤差是由氦氣與空氣密度的誤差及兩者熱學(xué)特性的誤差引起的。而檢定機(jī)構(gòu)又是在空氣流量標(biāo)準(zhǔn)裝置內(nèi)檢定，然后換算得到的計(jì)量結(jié)果。因此，用熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量該類氣體時(shí)，要特別注意。

３．５精確度較高的熱式質(zhì)量流量計(jì)

         國(guó)外某品牌熱式質(zhì)量流量計(jì)具有以下特性：讀數(shù)精確度為±０．５％，可修改管道尺寸，可切換氣體種類，量程比為１００∶１。

         粗看這是一款精確度極高，量程比極寬，可適用于各種管徑，還適用于不同氣體的萬(wàn)能流量計(jì)。但仔細(xì)研究其所列的精確度的補(bǔ)充說(shuō)明后發(fā)現(xiàn)：原來(lái)０．５級(jí)精確度是引用誤差，其量程比１００倍在流量為１％ｑｍＦＳ時(shí)，允許誤差較高。所以作為用戶或自控設(shè)計(jì)人員，應(yīng)該研究具體指標(biāo)背后的應(yīng)用條件。

         由于熱式質(zhì)量流量計(jì)自身固有特性的存在，難免使其在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)較大誤差，案例二中下游的用氣單位不得不第二次投資，將３臺(tái)流量計(jì)也換成ＦＤＩｄ型雙量程標(biāo)準(zhǔn)孔板流量計(jì)，才使上下游計(jì)量結(jié)果基本相符，從而結(jié)束長(zhǎng)達(dá)一年之久的紛爭(zhēng)。

         很多年以來(lái)，熱式質(zhì)量流量計(jì)在光纖、半導(dǎo)體等行業(yè)具有非常好的業(yè)績(jī)。在光纖、半導(dǎo)體工廠，幾百、上千臺(tái)小通徑熱式質(zhì)量流量計(jì)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，而且測(cè)量準(zhǔn)確度也獲得用戶好評(píng)。而在該應(yīng)用實(shí)例中，實(shí)際效果卻并不理想，究其原因是由于測(cè)量任務(wù)的差異。在光纖廠、半導(dǎo)體工廠中大面積使用的熱式質(zhì)量流量計(jì)是用于過(guò)程控制，對(duì)流量測(cè)量準(zhǔn)確度和量程比，都要求不高。而在上述案例中，測(cè)量目的是計(jì)量收費(fèi)，對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和量程比都要求非常高，尤其是在相對(duì)流量很小時(shí)，測(cè)量準(zhǔn)確度不能滿足使用要求。因此出現(xiàn)上下游的計(jì)量結(jié)果出現(xiàn)顯著的差異。

４結(jié)束語(yǔ)

         高純氣體具有組分穩(wěn)定，無(wú)塵、無(wú)水滴、無(wú)油污的特點(diǎn)，為流量測(cè)量和流量計(jì)的穩(wěn)定運(yùn)行創(chuàng)造了良好的條件。在高純氣體的流量測(cè)量中，雙量程孔板流量計(jì)以其固有的特點(diǎn)，占有顯著的優(yōu)勢(shì)。在以計(jì)量收費(fèi)為目的應(yīng)用中，更是如此，其測(cè)量準(zhǔn)確度達(dá)±１．０％，量程比達(dá)３３倍。

         在以計(jì)量收費(fèi)為目的的應(yīng)用中，熱式質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)用效果欠佳，這是因?yàn)閷?duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和量程比的要求較高。所以在設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)做好周密的調(diào)查研究工作，明確測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量目的以及對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度和量程比的要求，盡可能選擇工作穩(wěn)定可靠，精確合理、維護(hù)方便、投資節(jié)省的測(cè)量?jī)x表，以防失誤。