Technical Summary

热式气体质量流量计

热式气体质量流量计(Thermal Mass Flowmeter,简称 TMF)是基于热扩散(热传导)原理的气体质量流量直接测量仪表,采用恒温差法或恒功率法,无需温压补偿即可直接输出气体的质量流量或标准体积流量。执行 JJG1132-2017 检定规程和 ISO 14511 国际标准。以低流速灵敏、超宽量程比、免维护著称,广泛用于压缩空气、天然气、煤气、烟气等干燥气体的计量与监测。

热式气体质量流量计

所属系列:流量计系列

TECHNOLOGY & APPLICATION

理解原理,精准选型

从测量原理到现场应用,了解热式气体质量流量计的技术特点与选型要点。

01

MEASUREMENT PRINCIPLE

测量原理

基于热扩散原理

流动的气体会带走加热传感器的热量,质量流量越大、散热越多,通过

测量公式点击查看大图 ↗
P = (A + B·√v) · ΔT

测量散热程度即可直接得到气体的质量流量。其理论基础为金氏定律(King's Law):P = (A + B·√v) · ΔT其中: - P —— 加热功率; - A、B —— 与气体和探头相关的常数; - v —— 气体流速(质量流速); -ΔT —— 加热传感器与介质之间的温差。

1.1 主流方案:恒温差法(CTD)

传感器由两只高精度基准级铂电阻(RTD)组成,采用桥式环路连接:温度传感器(R₂ / 参考 RTD):测量气体的实际温度,作为基准;

加热传感器(R₁ / 测量 RTD)

通电加热,通过闭环控制始终维持其高于介质温度一个恒定温差(典型ΔT = 20~50℃)。

气体流动时带走 R₁ 的热量,质量流量越大 → 散热越多 → 维持恒温差所需的加热功率越高。测量该加热功率

测量公式点击查看大图 ↗
Qm = K · (P − P0) / cp

P,即可得质量流量

Qm = K · (P − P₀) / cp其中 K 为标定系数,cp 为气体定压比热容,P₀ 为零流量时的自然对流散热功率。

1.2 辅助方案:恒功率法(CP)

加热功率恒定,测量加热传感器与介质之间的温差变化。温差随流量增大而减小。结构简单、成本低,但动态特性和量程不如恒温差法,多用于低端产品。

1.3 关键特性说明

直接测量质量流量

传感器感测的是气体分子带走热量的能力(与分子数×比热容成正比),本质上是质量流速,因此无需温压补偿,测量结果不受温度、压力波动影响——这是与差压式、涡街等体积流量计的根本区别;

气体组分依赖性

测量结果依赖气体的 cp 值与导热系数,不同气体标定曲线不同,介质组分变化会引入误差(智能型内置 32 种气体参数库,可自动修正 cp);

低流速灵敏

可测 0.05~0.1 Nm/s 的极低流速,适合气体检漏、大管径小流量场合。

02

PRODUCT STRUCTURE

结构组成

2.1 核心组件

探头材质

316L 不锈钢(标准)、哈氏合金 C-276、钛(耐腐蚀型)。

2.2 产品结构形式

2.3 传感器结构类型

热线式

铂丝热线,响应极快,用于微小流量/检漏(易损);

热膜式(MEMS)

薄膜铂电阻+微机电工艺,耐用性好,工业主流;

毛细管式

旁路毛细管+层流压差分流,用于高精度小流量(半导体、配气)。

传感探头

说明:子弹头形流体力学优化设计,降低湍流影响,自清洁防颗粒堆积

参考传感器(RTD)

说明:Pt1000 铂电阻,测量介质温度

加热传感器

说明:薄膜铂电阻,恒温差/恒功率控制加热

变送器(信号处理单元)

说明:24 位 Σ-Δ ADC(0.001℃ 分辨率)、数字温度补偿算法、智能自诊断(传感器污染报警)

显示与通信

说明:LCD 同屏显示瞬时/累积流量;4-20mA、RS485 等输出

表体/过程连接

说明:管道式法兰/螺纹/卡套连接;插入式焊接底座/法兰(带压开孔)

管段式(管道 式)

适用范围:DN15~DN200(小管径整体 式) 特点:传感器与管道一体,整机标定,精度高、无插入深度误差;需断管安 装

插入式

适用范围:DN80~DN3000 大口径管道、 风道 特点:可在线带压开孔安装与维护、成本低;精度略低于管道式,需注意插 入深度定位

一体式

适用范围:标准型 特点:现场数显+信号输出一体

分体式

适用范围:高温、振动、狭小空间 特点:传感器与表头分离安装

03

TECHNICAL GUIDE

优缺点

3.1 优点

直接测量质量流量,免温压补偿

无需另配温度、压力变送器和积算仪,系统构成简单,温度压力波动不影响精度,综合成本低于"差压式+补偿"方案;

超宽量程比

典型 100:1,可达 200:1~1000:1,高低流量全覆盖,无测量死区;

低流速性能优异

最低可测 0.05~0.1 Nm/s,适合气体检漏、大管径小流量、管网泄漏监测;

压损极小

探头对流道阻碍小,几乎无附加压力损失,节能效果好;

无活动部件、免维护

全固态结构,MTBF ≥ 10 万小时,耐振动、寿命长,无需定期标定(建议周期性校验);

响应快

≤1s(T63),实时性好,适合监控与控制回路;

安装灵活

插入式可带压开孔不停产安装,适合在役大管道改造;

智能化程度高

自诊断(污染报警)、多气体参数库、组分补偿、RS485/Modbus/HART 通信;

可双向计量(部分型号);

量值直接显示

直接输出质量流量(kg/h)或标况体积流量(Nm³/h)。

3.2 缺点

只适用于干燥洁净气体

含水、油雾、粉尘的气体会污染传感器导致零漂,脏污气体(高炉煤气、湿烟气)须前置过滤/定期清理,严重时不适用(脏污气体更宜选 V锥等差压式);

气体组分敏感

标定曲线依赖气体 cp 与导热系数,组分变化(混合气配比波动)引入误差,需组分补偿功能或专用标定;

精度中等

常规 ±1.0%~±1.5% 读数(高精度型 ±0.5% FS),低于科里奥利质量流量计(±0.1%~0.2%),一般不用于高价值贸易交接;

不能测液体

热式原理仅适用于气体(液体热容大、粘附探头,须用专用液体热式或改选其他原理);

介质温度、压力范围受限

常规 -40~+150℃、≤1.6~4.0MPa,高温高压需特殊定制,量程远窄于差压式;

标定依赖

出厂须用实际气体或等效气体标定,现场难以自行校准,返厂周期长;

大流量高流速段精度下降

流速 >60~80 Nm/s 后对流换热趋于饱和,灵敏度降低;

插入式存在安装误差

插入深度、探头偏转、流场分布均影响精度,对安装规范性要求高;

乙炔等特殊气体禁用(与铜/银部件生成爆炸性化合物)。

04

APPLICATIONS

应用领域

不适用工况

含大量水分/油雾/粉尘的脏污气体(无过滤时)、蒸汽、液体、乙炔、组分剧烈波动的混合气、高价值贸易交接(建议科里奥利)→ 分别改选 V锥/涡街(脏污气)、差压式(蒸汽)、电磁/科氏(液体)

等。

压缩空气系统

典型应用:空压机出口、车间/班组压缩空气计量、管网分区计量与泄漏监测(优势场景)

冶金/钢铁

典型应用:高炉鼓风、焦炉煤气、转炉煤气、氧/氮/氩气体计量

化工/半导体

典型应用:氮气、氧气、氩气、氢气、二氧化碳、丙烷等工艺气体配比与监测;高精度毛细管式用于配气

能源/燃气

典型应用:天然气计量、沼气、火炬气、放空气体计量(防爆型)

环保

典型应用:锅炉烟气、废气排放流量监测、污水处理曝气量计量

食品/医药

典型应用:发酵进气、CO₂ 添加等洁净气体计量

科研/计量

典型应用:气体检漏、微小流量标定、通风风道测试(大口径插入式)

05

TECHNICAL SPECIFICATIONS

技术参数表

技术参数表 · 项目 / 参数对照查阅
项目参数
测量原理热扩散(恒温差法为主,恒功率法辅)
测量介质干燥洁净气体(空气、N₂、O₂、Ar、CO₂、H₂、天然气、沼气、煤气、烟气等,乙炔除外)
公称通径管段式 DN15~DN200;插入式 DN80~DN3000(覆盖 DN15~DN2000)
流速范围0.05~120 Nm/s(标准状态 20℃、101.325kPa);低端 0.1 Nm/s 起测
量程比100:1(典型),最高 200:1~1000:1
精度等级±1.0%R(≥1m/s);±1.5%R~±2.5%FS(常规);高精度型 ±0.5%FS
重复性≤0.2%
公称压力≤1.6MPa(常规 1.6/2.5/4.0MPa);高压型可定制
介质温度40℃~+85/150℃(常规);高温型 +220℃~+350℃(带散热,特殊 450℃)
响应时间≤1s(T63,可调滤波常数)
探头材质316L 不锈钢、哈氏合金 C-276、钛
本体材质304/316L 不锈钢
连接方式管段式:法兰、螺纹(G)、卡套;插入式:焊接底座、法兰(带压开孔)
直管段要求上游 ≥5~10D,下游 ≥2~5D(小口径可放宽)
供电24V DC(≤18W)/ 220V AC 可选
输出信号4-20mA、脉冲、RS485(Modbus-RTU)、HART
防爆等级Ex d IIC T6 / Ex d IIBT4 / Ex ia IIC T6(可燃气体场合)
防护等级IP65 / IP67(潜水型 IP68 可选)
显示LCD 现场显示瞬时+累积流量(质量流量或标况体积流量)
执行标准JJG 1132-2017、ISO 14511
平均无故障时间MTBF ≥ 10 万小时(全固态)
06

SELECTION GUIDE

选型表

6.1 选型需提供的工艺参数(订货必填)

6.4 典型型号编制示例(以 YYRSL 系列为例)

示例

YYRSL-150E-DN100-P1-T1-M-D = 插入式热式气体质量流量计,DN100,1.6MPa,常温,4-20mA+RS485 输出,隔爆型。

6.5 选型要点补充

  1. 01

    气体组分务必确认

    同一仪表测空气与测氢气的标定曲线差异很大,订货时必须注明实际气体;混合气要给出配比,并确认是否需要组分补偿功能;

  2. 02

    按标况流量选量程

    以 Nm³/h(20℃、101.325kPa)提供流量参数,常用流量宜落在满量程的30%~70%,量程比富余不必过大(量程比越大低端精度越差);

  3. 03

    脏污气体慎重

    含粉尘/油雾/水分的气体必须配前置过滤器并评估维护周期;重污染气体(煤气、湿烟气)建议改选 V锥等差压式;

  4. 04

    插入式安装规范

    探头感应部位须处于管道主流区域(一般插入至 1/3~1/2 管径处),避开弯头、阀门扰动,做好插入深度标记;

  5. 05

    直管段

    上游 ≥5~10D、下游 ≥2~5D,条件不足时选带整流功能的探头或与厂家协商实流修正;

  6. 06

    垂直管道安装气流自下而上;水平管道装于管道侧面(避免顶部积气、底部积液),远离强电磁与振动源;

  7. 07

    精度等级匹配用途

    内部分摊监控选 ±1.5%R;车间级计量选 ±1.0%R;贸易交接慎用(建议选科里奥利或涡轮);

  8. 08

    整套供货确认

    是否含安装底座/球阀(插入式带压开孔)、过滤器、配对法兰、通信电缆等附件。

选型表 · 序号 / 参数对照查阅
序号参数说明/单位
1气体名称及组分决定 cp 值与标定曲线;混合气需组分配比;是否含粉尘/油雾/水分
2流量范围最大、常用、最小流量(Nm³/h 或 kg/h,标况 20℃/101.325kPa)
3工作压力常压、最大压力(MPa);是否波动
4工作温度介质温度范围(℃)
5管道参数公称通径、内径、材质、壁厚、压力等级
6安装条件水平/垂直、可用直管段、是否需要带压开孔安装
7精度要求监控级(±1.5%)/ 计量级(±1.0%)/ 高精度(±0.5%)
8输出与功能信号输出、通信协议、是否防爆、是否需要自诊断/组分补偿
条件推荐形式
DN15~DN100 洁净气体、精度要求高管段式(整机标定,精度最优)
DN100~DN200 常规工况管段式或插入式(按成本权衡)
DN200 以上大口径管道/风道插入式(带压开孔,不停产安装)
高温、强振动、安装空间狭小分体式(传感器与表头分离)
气体检漏、微小流量热线式/毛细管式高灵敏度型
高精度配比、配气毛细管旁路式(层流分流)
选型表 · 工况类型 / 推荐配置对照查阅
工况类型推荐配置
压缩空气、氮气等洁净气体标准型(304 探头)
天然气、氢气、沼气等可燃气防爆型(Ex d/ia IIC T6)
高温工艺气体、窑炉尾气高温型(+350℃,带散热结构)
含微量粉尘/湿汽气体全金属抗污染探头 + 前置过滤器 + 自诊断报警
腐蚀性气体316L/哈氏合金 C-276/钛探头
组分波动的混合气智能组分补偿型(多气体参数库)
高压管网(>4MPa)高压定制型
选型表 · 位号 / 代码对照查阅
位号代码含义
基本型号YYRSL热式气体质量流量计
通径DN15~DN2000公称通径
结构E / I插入式 / 管段式(示例中 E 为插入式)
压力等级P1 / P2 / P31.6 / 2.5 / 4.0 MPa
温度等级T1 / T2 / T3常温 / 中温 / 高温型
输出M / H4-20mA+RS485 / HART
防爆N / D / I无防爆 / 隔爆 / 本安
07

TECHNICAL GUIDE

与其他气体流量计对比(简表)

选型口诀

低流速检漏选热式,蒸汽中高速选涡街,脏污高温高压选差压,贸易交接选科氏。

参考资料

多钦仪表、化工仪器网、尧仪科技、SEAGMA 等产品资料及 JJG 1132-2017、ISO 14511 标准整理。具体参数以各制造厂产品样本为准。

与其他气体流量计对比(简表) · 对比项 / 热式质量流量计对照查阅
对比项热式质量流量计涡街流量计差压式(孔板/V 锥)科里奥利流量计
测量原理热扩散(恒温差)卡门涡街伯努利差压科氏力/振动
直接测质量流 量是(免温压补偿)否(需补偿)否(需补偿)是
量程比100:1~1000:110:1~30:13:1~15:120:1~100:1
最低流速0.05~0.1 Nm/s2~5 Nm/s较高较低
精度±1.0%~±1.5%R±1.0%R±0.5%~±1%±0.1%~0.2%
压力损失极小小较大大
脏污气体耐受差(需过滤)中好(V锥/楔形)好
蒸汽测量不可优优可(专用)
液体测量不可可可优
价格中中低~中高
典型优势场景压缩空气、低流速、检漏、大管径 监控蒸汽、中高流速气 体脏污气体、高温高 压高价值贸易交接、高精 度

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