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熱式傳感技術的進步

自從熱電偶技術和早期的熱線式風速計產生之后，熱式流量測量技術已經有了長足的進步。熱式技術以熱傳導為基礎，一般是根據兩個溫度傳感器間的溫差產生一個直接與溫差和質量流量成比例的信號。很久以來，熱式流量傳感器在很多行業中得以應用，并滿足了一些特殊的要求。現代化的熱式流量傳感器在設計上已由實驗室設備進化為了牢固的過程設備，每一代新產品都在傳感器性能方面有突破性的進步。

早期的熱式產品設計者們在維持生產公差、溫度跟蹤及符合工業封裝標準方面經歷了很多挑戰。這些挑戰使得設計者們采用更牢固、生產上更具備一致性的熱電阻（RTD）。基于熱電阻的流量傳感器很快被分類，并與早期的溫差設備相關聯，并且成為了熱式流量傳感器家族的一部分。隨著RTD的改進，生產商們更向傾于采用鉑纏繞低質量型設計。隨著時間的推移，生產技術向更小公差的方向演變，從而使得兩個RTD的配對成為了控制上越來越嚴格的過程。

由于大部分現代化的熱式設計是基于兩個RTD之間的差值，因此RTD在構造上一定要一致。早期，FCI和其他一些廠家意識到了這一點，并且FCI設計出了第一個等質量傳感器構造。這種傳感器設計確保了傳感元件在追蹤過程變化的時候可以保持一貫性。等質量設計是一種突破性的進展，大大拓寬了熱式傳感原理的使用范圍，使之在多種過程應用中有了用武之地。

隨著制造技術、填充方法、熱道時效及材料優化等方面的進步，產品的性能也有了逐步的提高。如今，FCI及其他采用最新RTD生產技術的公司，通過使用平版印刷蝕刻芯片RTD，真正避免了RTD間的生產公差，使得RTD的調整成為簡單、可復制的步驟。因此，可以用極低的成本生產出高質量、易配對的RTD。這一進步直接推動了熱式技術向更高性能更低成本的方向發展。

微處理器推動性能的提高

當熱式傳感技術在一致性和穩定性方面不斷發展時，信號處理及硬件方面也有了突破性進展。FCI在標定數據收集和信號處理方面取得了進展，并且通過先進的曲線擬合演算法逐步提高了產品性能。下圖展示了FCI突破性的曲線擬合方法，這種方法提高了產品性能和精度。從圖1的常見誤差差頻寬可以看出傳統型產品的局限性。而采用D2P曲線擬合方法的FCI的熱式質量流量計，與傳統型產品形成了鮮明對比。近年來，誤差和不確定性縮減有了重大進展，使FCI產品在保持1001量程比的前提下，達到了0.5%的標定精度。

圖1 FCI的D2P曲線擬合方法帶來的性能提高

標定方法及NIST可溯源設備填補了空白

傳感及信號處理上的發展對標定程序和方法提出了更高要求。為了使熱式流量儀表真正成為高端產品并滿足用戶現場工況，制造商必須將產品的改進與合格、高精度的標定相結合。這意味著，要么必須將產品送去專業的流量標定實驗室進行標定，或者斥巨資自行搭建標定設備。FCI公司擁有自行投資興建的，具備研發和產品標定雙重功能的標定實驗室，可以對包括惰性氣體和危險氣體以及液體在內的多種介質在很寬的量程范圍內進行標定。

由于冷卻率與介質熱物理特性（如粘度、密度、比熱、熱導性及熱膨脹系數等）呈函數關系，對熱式傳感技術的優化需要擁有流體方面豐富的經驗。隨著新的模型和等式推導方法的出現，使用參照氣體進行標定已經可以達到2~3%的讀數精度，然而有一點相當明確，要實現最佳性能必須使用實際氣體或實際液體進行標定。象FCI這樣擁有完善的標定實驗室的公司，可以在實際液體介質（如水或果汁、碳氫化合物及冷卻劑）中進行標定；同時，也可以在各種氣體介質（從惰性氣體到危險混合氣、低密度氣體如氫氣和氦氣等）中進行標定。符合實際介質的標定、自動數收集及高精度的流量參照標準（如音速噴嘴、超聲波多普勒和科里奧力流量計等）造就了好于0.5%讀數的精度。

圖2所示為FCI的氣體音速噴嘴和混合氣標定臺。

圖2 FCI標定實驗室的混合氣和音速噴嘴標定臺

將實驗室結果應用到現場

將實驗室標定結果應用到現場的安裝位置對所有的流量測量原理來說都是個挑戰。直管段、實際安裝、流層、過渡流形、紊流強度、漩渦、脈動及寬量程范圍等過程條件是所有流量測量原理共同的難題。熱式原理是18”管線到30英尺管道上經濟、精確的流量測量選擇。使用熱式原理并且選擇正確的型號對于達到最高的現場安裝精度很關鍵。對于2”及2”以下管徑的應用，大部分熱式產品制造商提供“在線式”構造，提供一截固定著傳感頭的管段，這樣的構造避免了固定、偏移、施轉或插件入長度導致的誤差。同時，很多“插入式”產品也通過改進安裝方式避免或大幅降低了安裝變量的影響。位置鎖定或鍵盤編碼式插入、多傳感裝置、深度標尺、方位標記等方法確保了插入式流量元件的安裝，適用于4”到幾米管徑。

流體調整拓寬了安裝位置的選擇范圍

流體調整被很多流量測量原理所采用以進一步完善測量。調整器提供出色的隔離、漩渦消減，并且真正做到了無壓損。這種流體調整方法神奇地拓寬點式流量測量原理的應用范圍。例如熱式測量原理，推薦安裝條件為上游20倍管徑下游10倍管徑的直管段。而采用了嵌入式的流體調整器后，熱式質量流量計只需要上下游一共7倍管徑的直管段即可達到標稱精度。

過程條件的影響及多點式測量

熱式流量測量原理實際上利用了溫度傳感。大部分的熱式流量設備制造商生產的流量元件中包含一個參照傳感器，與溫差測量相結合，或獨立測量過程溫度的實時變化。由于熱式設備是直接測量質量流量的設備，而過程溫度的變化會直接影響到質量流量，熱式設備在設計上可以自動修正過程溫度變化帶來的影響。等質量流量傳感器設計確保了變化無滯后效應，因此可以提供實時的溫度補償。正因為如此，大部分熱式流量計天生多變量，并且可以提供過程溫度輸出。

另外，熱式設備幾乎不受壓力變化的影響，除非測量的是極低流量（低于0.25英尺秒），因為自然對流現象可能在插入式傳感構造上產生熱度上升的流量效應。利用低功率分界層傳感，包括FCI在內的一些公司開發出了非插入式設計，將低流量和高流速傳感提升到了一個新的高度。

在極低流量應用中，大部分制造商的產品規格或軟件選擇限制了插入式構造的使用。在正常工程流量范圍下，排除壓力影響的獨立研究顯示，未經校正的熱式質量流量計每100PSI的壓力波動可能導至1~2%的讀數漂移。熱式傳感原理，無論是恒溫差式還是恒功率式，都同樣受到影響。圖3所示為FCI流量計在典型的壓力波動范圍內的性能曲線圖，壓力影響對精度的影響被控制在1%以內。

圖3 典型性能曲線顯示壓力波動對精度影響1%

熱式產品制造商監測到，大幅度的過程壓力波動會由于氣體特性的變動而對測量精度產生更大影響。對于這類特別的應用，FCI推出了專利產品——內置壓力傳感及校正的熱式質量流量傳感器。在大部分采用熱擴散原理產品的普通過程控制應用中，無需用到這種特殊構造的產品。然而，在諸如天然氣傳輸這類存在大幅度壓力波動的密閉傳輸裝置應用中，就需要采用這種特殊構造，使熱式原理的產品達到應用的精度要求。

總而言之，突破性的傳感器設計、先進的信號處理、高精度標定及運用流體調整技術減輕不理想的安裝條件對測量的影響相結合，使得熱式流量儀表站在了高性價比和長使用壽命的測量原理的前沿。目前市場上有各種性能和價位的熱式產品可供選擇。如今，先進可靠的熱式產品完全適用于各種最苛刻的過程應用，并滿足用戶對精度和重復性的要求。