熱式傳感技術(shù)的進(jìn)步
自從熱電偶技術(shù)和早期的熱線式風(fēng)速計(jì)產(chǎn)生之后，熱式流量測量技術(shù)已經(jīng)有了長足的進(jìn)步。熱式技術(shù)以熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，一般是根據(jù)兩個(gè)溫度傳感器間的溫差產(chǎn)生一個(gè)直接與溫差和質(zhì)量流量成比例的信號(hào)。很久以來，熱式流量傳感器在很多行業(yè)中得以應(yīng)用，并滿足了一些特殊的要求。現(xiàn)代化的熱式流量傳感器在設(shè)計(jì)上已由實(shí)驗(yàn)室設(shè)備進(jìn)化為了牢固的過程設(shè)備，每一代新產(chǎn)品都在傳感器性能方面有突破性的進(jìn)步。
早期的熱式產(chǎn)品設(shè)計(jì)者們?cè)诰S持生產(chǎn)公差、溫度跟蹤及符合工業(yè)封裝標(biāo)準(zhǔn)方面經(jīng)歷了很多挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)使得設(shè)計(jì)者們采用更牢固、生產(chǎn)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(shè)備相關(guān)聯(lián)，并且成為了熱式流量傳感器家族的一部分。隨著RTD的改進(jìn)，生產(chǎn)商們更向傾于采用鉑纏繞低質(zhì)量型設(shè)計(jì)。隨著時(shí)間的推移，生產(chǎn)技術(shù)向更小公差的方向演變，從而使得兩個(gè)RTD的配對(duì)成為了控制上越來越嚴(yán)格的過程。
由于大部分現(xiàn)代化的熱式設(shè)計(jì)是基于兩個(gè)RTD之間的差值，因此RTD在構(gòu)造上一定要一致。早期，F(xiàn)CI和其他一些廠家意識(shí)到了這一點(diǎn)，并且FCI設(shè)計(jì)出了第一個(gè)等質(zhì)量傳感器構(gòu)造。這種傳感器設(shè)計(jì)確保了傳感元件在追蹤過程變化的時(shí)候可以保持一貫性。等質(zhì)量設(shè)計(jì)是一種突破性的進(jìn)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(yīng)用中有了用武之地。
隨著制造技術(shù)、填充方法、熱道時(shí)效及材料優(yōu)化等方面的進(jìn)步，產(chǎn)品的性能也有了逐步的提高。如今，F(xiàn)CI及其他采用最新RTD生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)公差，使得RTD的調(diào)整成為簡單、可復(fù)制的步驟。因此，可以用極低的成本生產(chǎn)出高質(zhì)量、易配對(duì)的RTD。這一進(jìn)步直接推動(dòng)了熱式技術(shù)向更高性能更低成本的方向發(fā)展。
微處理器推動(dòng)性能的提高
當(dāng)熱式傳感技術(shù)在一致性和穩(wěn)定性方面不斷發(fā)展時(shí)，信號(hào)處理及硬件方面也有了突破性進(jìn)展。FCI在標(biāo)定數(shù)據(jù)收集和信號(hào)處理方面取得了進(jìn)展，并且通過先進(jìn)的曲線擬合演算法逐步提高了產(chǎn)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(chǎn)品性能和精度。從圖1的常見誤差差頻寬可以看出傳統(tǒng)型產(chǎn)品的局限性。而采用D2P曲線擬合方法的FCI的熱式質(zhì)量流量計(jì)，與傳統(tǒng)型產(chǎn)品形成了鮮明對(duì)比。近年來，誤差和不確定性縮減有了重大進(jìn)展，使FCI產(chǎn)品在保持1001量程比的前提下，達(dá)到了0.5%的標(biāo)定精度。
圖1 FCI的D2P曲線擬合方法帶來的性能提高
標(biāo)定方法及NIST可溯源設(shè)備填補(bǔ)了空白
傳感及信號(hào)處理上的發(fā)展對(duì)標(biāo)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(chǎn)品并滿足用戶現(xiàn)場工況，制造商必須將產(chǎn)品的改進(jìn)與合格、高精度的標(biāo)定相結(jié)合。這意味著，要么必須將產(chǎn)品送去專業(yè)的流量標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行標(biāo)定，或者斥巨資自行搭建標(biāo)定設(shè)備。FCI公司擁有自行投資興建的，具備研發(fā)和產(chǎn)品標(biāo)定雙重功能的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室，可以對(duì)包括惰性氣體和危險(xiǎn)氣體以及液體在內(nèi)的多種介質(zhì)在很寬的量程范圍內(nèi)進(jìn)行標(biāo)定。
由于冷卻率與介質(zhì)熱物理特性（如粘度、密度、比熱、熱導(dǎo)性及熱膨脹系數(shù)等）呈函數(shù)關(guān)系，對(duì)熱式傳感技術(shù)的優(yōu)化需要擁有流體方面豐富的經(jīng)驗(yàn)。隨著新的模型和等式推導(dǎo)方法的出現(xiàn)，使用參照氣體進(jìn)行標(biāo)定已經(jīng)可以達(dá)到2~3%的讀數(shù)精度，然而有一點(diǎn)相當(dāng)明確，要實(shí)現(xiàn)最佳性能必須使用實(shí)際氣體或?qū)嶋H液體進(jìn)行標(biāo)定。象FCI這樣擁有完善的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的公司，可以在實(shí)際液體介質(zhì)（如水或果汁、碳?xì)浠衔锛袄鋮s劑）中進(jìn)行標(biāo)定；同時(shí)，也可以在各種氣體介質(zhì)（從惰性氣體到危險(xiǎn)混合氣、低密度氣體如氫氣和氦氣等）中進(jìn)行標(biāo)定。符合實(shí)際介質(zhì)的標(biāo)定、自動(dòng)數(shù)收集及高精度的流量參照標(biāo)準(zhǔn)（如音速噴嘴、超聲波多普勒和科里奧力流量計(jì)等）造就了好于0.5%讀數(shù)的精度。
圖2所示為FCI的氣體音速噴嘴和混合氣標(biāo)定臺(tái)。
圖2 FCI標(biāo)定實(shí)驗(yàn)室的混合氣和音速噴嘴標(biāo)定臺(tái)
將實(shí)驗(yàn)室結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場
將實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定結(jié)果應(yīng)用到現(xiàn)場的安裝位置對(duì)所有的流量測量原理來說都是個(gè)挑戰(zhàn)。直管段、實(shí)際安裝、流層、過渡流形、紊流強(qiáng)度、漩渦、脈動(dòng)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(jīng)濟(jì)、精確的流量測量選擇。使用熱式原理并且選擇正確的型號(hào)對(duì)于達(dá)到最高的現(xiàn)場安裝精度很關(guān)鍵。對(duì)于2”及2”以下管徑的應(yīng)用，大部分熱式產(chǎn)品制造商提供“在線式”構(gòu)造，提供一截固定著傳感頭的管段，這樣的構(gòu)造避免了固定、偏移、施轉(zhuǎn)或插件入長度導(dǎo)致的誤差。同時(shí)，很多“插入式”產(chǎn)品也通過改進(jìn)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(biāo)尺、方位標(biāo)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(diào)整拓寬了安裝位置的選擇范圍
流體調(diào)整被很多流量測量原理所采用以進(jìn)一步完善測量。調(diào)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(diào)整方法神奇地拓寬點(diǎn)式流量測量原理的應(yīng)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(diào)整器后，熱式質(zhì)量流量計(jì)只需要上下游一共7倍管徑的直管段即可達(dá)到標(biāo)稱精度。
過程條件的影響及多點(diǎn)式測量
熱式流量測量原理實(shí)際上利用了溫度傳感。大部分的熱式流量設(shè)備制造商生產(chǎn)的流量元件中包含一個(gè)參照傳感器，與溫差測量相結(jié)合，或獨(dú)立測量過程溫度的實(shí)時(shí)變化。由于熱式設(shè)備是直接測量質(zhì)量流量的設(shè)備，而過程溫度的變化會(huì)直接影響到質(zhì)量流量，熱式設(shè)備在設(shè)計(jì)上可以自動(dòng)修正過程溫度變化帶來的影響。等質(zhì)量流量傳感器設(shè)計(jì)確保了變化無滯后效應(yīng)，因此可以提供實(shí)時(shí)的溫度補(bǔ)償。正因?yàn)槿绱耍蟛糠譄崾搅髁坑?jì)天生多變量，并且可以提供過程溫度輸出。
另外，熱式設(shè)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?yàn)樽匀粚?duì)流現(xiàn)象可能在插入式傳感構(gòu)造上產(chǎn)生熱度上升的流量效應(yīng)。利用低功率分界層傳感，包括FCI在內(nèi)的一些公司開發(fā)出了非插入式設(shè)計(jì)，將低流量和高流速傳感提升到了一個(gè)新的高度。
在極低流量應(yīng)用中，大部分制造商的產(chǎn)品規(guī)格或軟件選擇限制了插入式構(gòu)造的使用。在正常工程流量范圍下，排除壓力影響的獨(dú)立研究顯示，未經(jīng)校正的熱式質(zhì)量流量計(jì)每100PSI的壓力波動(dòng)可能導(dǎo)至1~2%的讀數(shù)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(jì)在典型的壓力波動(dòng)范圍內(nèi)的性能曲線圖，壓力影響對(duì)精度的影響被控制在1%以內(nèi)。
圖3 典型性能曲線顯示壓力波動(dòng)對(duì)精度影響1%
熱式產(chǎn)品制造商監(jiān)測到，大幅度的過程壓力波動(dòng)會(huì)由于氣體特性的變動(dòng)而對(duì)測量精度產(chǎn)生更大影響。對(duì)于這類特別的應(yīng)用，F(xiàn)CI推出了專利產(chǎn)品——內(nèi)置壓力傳感及校正的熱式質(zhì)量流量傳感器。在大部分采用熱擴(kuò)散原理產(chǎn)品的普通過程控制應(yīng)用中，無需用到這種特殊構(gòu)造的產(chǎn)品。然而，在諸如天然氣傳輸這類存在大幅度壓力波動(dòng)的密閉傳輸裝置應(yīng)用中，就需要采用這種特殊構(gòu)造，使熱式原理的產(chǎn)品達(dá)到應(yīng)用的精度要求。
總而言之，突破性的傳感器設(shè)計(jì)、先進(jìn)的信號(hào)處理、高精度標(biāo)定及運(yùn)用流體調(diào)整技術(shù)減輕不理想的安裝條件對(duì)測量的影響相結(jié)合，使得熱式流量儀表站在了高性價(jià)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(jià)位的熱式產(chǎn)品可供選擇。如今，先進(jìn)可靠的熱式產(chǎn)品完全適用于各種最苛刻的過程應(yīng)用，并滿足用戶對(duì)精度和重復(fù)性的要求。
