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摘要：本文主要探讨了热式流量计在能源计量中测量气体管道流量的应用。作为一种接触式流量计，热式流量计在气体能效测试中具有广阔的应用前景。为使大家合理有效的使用热式流量计，本文就风机能效测试现场使用热式流量计的工作原理及检测方法进行分析。
关键词：热式流量计;能源计量;管道流量;能效测试
0 引言
风机机组是企业重要的能源消耗装置之一，很多企业的风机在实际运行中处于不经济运行的状态，导致了大量的能源浪费。因此测试风机运行的能耗状态，不仅可以帮助企业掌握风机的工作性能状态，还可以掌握风机的能耗水平，为企业进行风机机组节能改造提供依据。然而，目前对风机的能效测试时，由于现场条件的复杂性，导致计量器具测量结果准确性差。针对风机机组能效测试中实际存在的问题，本文介绍了利用热式风速流量计进行现场测试，提高测量精度的方法。
1热式流量计原理
热式流量计（Thermal Mass Flowmeters，简称TMF）在国内习称量热式流量计，是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体体积之间的关系来测量流体流量的一种流量仪。一般用来测量气体的流量。一般按结构原理主要分为浸入型TMF、热分布型TMF、边界层流量计。
浸入型TMF传感器的测量原理如图1和图2所示。它有两个探头浸入到被测流体中，一个速度探头监测质量流速p，一个温度探头监测气体温度T，并自动对温度的变化进行修正，如图1所示。现代工业用的浸入型TMF探头是用作标准级铂电阻温度探头（RTD）的铂丝绕在一陶瓷芯棒上插入一坚固的不锈钢套管（或温度计套管）中组成的。速度探头RTD的电阻比温度探头RTD的电阻低得多，并由电子设备供电产生热量。如图2所示。
图1热式流量计传感器结构
圖2 热式流量计电子设备供电线路
浸入型TMF传感器的工作原理基于热力学第一定律。即电子设备提供给速度探头的低电功率（
）应等于流动的气体对流换热所带走的热量。
（3）
式中：Eu ——单位时间内输给流量计的电功率;
Ru——速度探头的电阻;
h ——对流换热系数;
As——圆柱形探头表面积;
Tu——速度探头的温度;
T ——温度探头测得的气体温度。
2管内速度分布和平均流速的分析
（一）速度分布
在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布。这是由于实际流体都具有粘性而造成的。一般的规律是，越靠近管壁，由于流体与管壁的粘滞作用，流速越小，管壁上的流速为零;越靠近管中心，由于流体与管壁的这种粘滞作用越小，流速越越大，管道中心的流速达最大值。
图3 圆管内流速分布图
值得注意的是，如上图3所示这样的典型的管内流速分布，是指充分发展了的管内流动所具有的流速分布，管内流体只有通过足够长的直管段以后才能形成。但由于流动过程中存在各种干扰，一般情况下，管内的流速分布总是要偏离这种典型的流速分布而对流量测量造成影响。因为流体流经阻流件时，流速分布会发生畸变以及产生漩涡，这种情况称为非充分发展管流。非充分发展管流就是速度分布从一个横截面到另一个横截面皆在变化的流动。只有在很长的直管段末端或加装流动调整器后分布才能恢复到充分发展管流。这正是许多流量计需要足够长的表前直管段的根本原因。
表1 浸入型热式TMF对上游直管段要求的比较
上游阻力件形式
一个90°弯头
平面双弯头
空间双弯头
大小头之比4：1
全开球阀
上游直管段长度
1D
3D
5D
3D
2D
（二）平均流速
所谓平均流速，平时总是指管道截面上的平均流速。其含义是当管内流体以某一流速
均匀分布时，通过管道某截面的流量正好等于管内流体以某一速度分布
时通过该管道截面的流量，则
就是该截面上的速度分布为
时的平均流速。其数学表达式为：
（6）
对于圆管有：
（7）
将式（7）代入（6）得：
（8）
由式（8）可知，熱式风速仪的探头安装应在
处，在对中联水泥风机测试时采用了800mm口径的管道，探头插入在L=200mm左右。如图4所示。
3实际案例和经验总结
通过以上对热式流量计的分析后，我在测量徐州中联水泥厂风机机组管道流量的时候，进行了现场的实验。本次测试我们采用的热式流量计是奥地利EE公司的65型热式流量计，其测量结果的不确定度为：Urel=0.3m/s（k=2）。经过多次测试后我总结了运用热式流量计进行能效测试有以下几个优点：
①有坚固的结构，适用于工业应用。
②流量范围大，对于插入式TMF的流量范围，管径可达2m以上。
③精确度高，重复性好。
④具有1～2s的快速响应时间。
⑤对上游直管段长度的要求很低，对下游甚至没有直管段的要求。
⑥可测量含固体颗粒的气体。
通过对基本原理的了解和现场试验的经验总结，我们通过与已校准的在线流量计的对比，发现当采用热式流量计后，我们的测量精度得到了提高并且大大缩短了工作时间，满足了能效测试测量精度的要求。
参考文献：
[1]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，2007.
[2]何川，郭立君.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2008.
[3]GB/T 15913-2009《风机机组与管网系统节能监测》.
[4]GB/T 15316-2009《节能监测技术通则》..
[5]肖鹏，杨春生.风机机组能效测试装置的研制.科学技术与工程，2013.
关键词：热式流量计;能源计量;管道流量;能效测试
0 引言
风机机组是企业重要的能源消耗装置之一，很多企业的风机在实际运行中处于不经济运行的状态，导致了大量的能源浪费。因此测试风机运行的能耗状态，不仅可以帮助企业掌握风机的工作性能状态，还可以掌握风机的能耗水平，为企业进行风机机组节能改造提供依据。然而，目前对风机的能效测试时，由于现场条件的复杂性，导致计量器具测量结果准确性差。针对风机机组能效测试中实际存在的问题，本文介绍了利用热式风速流量计进行现场测试，提高测量精度的方法。
1热式流量计原理
热式流量计（Thermal Mass Flowmeters，简称TMF）在国内习称量热式流量计，是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体流量，或利用加热流体时流体温度上升某一值所需的能量与流体体积之间的关系来测量流体流量的一种流量仪。一般用来测量气体的流量。一般按结构原理主要分为浸入型TMF、热分布型TMF、边界层流量计。
浸入型TMF传感器的测量原理如图1和图2所示。它有两个探头浸入到被测流体中，一个速度探头监测质量流速p，一个温度探头监测气体温度T，并自动对温度的变化进行修正，如图1所示。现代工业用的浸入型TMF探头是用作标准级铂电阻温度探头（RTD）的铂丝绕在一陶瓷芯棒上插入一坚固的不锈钢套管（或温度计套管）中组成的。速度探头RTD的电阻比温度探头RTD的电阻低得多，并由电子设备供电产生热量。如图2所示。
图1热式流量计传感器结构
圖2 热式流量计电子设备供电线路
浸入型TMF传感器的工作原理基于热力学第一定律。即电子设备提供给速度探头的低电功率（
）应等于流动的气体对流换热所带走的热量。
（3）
式中：Eu ——单位时间内输给流量计的电功率;
Ru——速度探头的电阻;
h ——对流换热系数;
As——圆柱形探头表面积;
Tu——速度探头的温度;
T ——温度探头测得的气体温度。
2管内速度分布和平均流速的分析
（一）速度分布
在管道横截面上流体速度轴向分量的分布模式称为速度分布。这是由于实际流体都具有粘性而造成的。一般的规律是，越靠近管壁，由于流体与管壁的粘滞作用，流速越小，管壁上的流速为零;越靠近管中心，由于流体与管壁的这种粘滞作用越小，流速越越大，管道中心的流速达最大值。
图3 圆管内流速分布图
值得注意的是，如上图3所示这样的典型的管内流速分布，是指充分发展了的管内流动所具有的流速分布，管内流体只有通过足够长的直管段以后才能形成。但由于流动过程中存在各种干扰，一般情况下，管内的流速分布总是要偏离这种典型的流速分布而对流量测量造成影响。因为流体流经阻流件时，流速分布会发生畸变以及产生漩涡，这种情况称为非充分发展管流。非充分发展管流就是速度分布从一个横截面到另一个横截面皆在变化的流动。只有在很长的直管段末端或加装流动调整器后分布才能恢复到充分发展管流。这正是许多流量计需要足够长的表前直管段的根本原因。
表1 浸入型热式TMF对上游直管段要求的比较
上游阻力件形式
一个90°弯头
平面双弯头
空间双弯头
大小头之比4：1
全开球阀
上游直管段长度
1D
3D
5D
3D
2D
（二）平均流速
所谓平均流速，平时总是指管道截面上的平均流速。其含义是当管内流体以某一流速
均匀分布时，通过管道某截面的流量正好等于管内流体以某一速度分布
时通过该管道截面的流量，则
就是该截面上的速度分布为
时的平均流速。其数学表达式为：
（6）
对于圆管有：
（7）
将式（7）代入（6）得：
（8）
由式（8）可知，熱式风速仪的探头安装应在
处，在对中联水泥风机测试时采用了800mm口径的管道，探头插入在L=200mm左右。如图4所示。
3实际案例和经验总结
通过以上对热式流量计的分析后，我在测量徐州中联水泥厂风机机组管道流量的时候，进行了现场的实验。本次测试我们采用的热式流量计是奥地利EE公司的65型热式流量计，其测量结果的不确定度为：Urel=0.3m/s（k=2）。经过多次测试后我总结了运用热式流量计进行能效测试有以下几个优点：
①有坚固的结构，适用于工业应用。
②流量范围大，对于插入式TMF的流量范围，管径可达2m以上。
③精确度高，重复性好。
④具有1～2s的快速响应时间。
⑤对上游直管段长度的要求很低，对下游甚至没有直管段的要求。
⑥可测量含固体颗粒的气体。
通过对基本原理的了解和现场试验的经验总结，我们通过与已校准的在线流量计的对比，发现当采用热式流量计后，我们的测量精度得到了提高并且大大缩短了工作时间，满足了能效测试测量精度的要求。
参考文献：
[1]苏彦勋，梁国伟，盛健.流量计量与测试[M].北京：中国计量出版社，2007.
[2]何川，郭立君.泵与风机[M].北京：中国电力出版社，2008.
[3]GB/T 15913-2009《风机机组与管网系统节能监测》.
[4]GB/T 15316-2009《节能监测技术通则》..
[5]肖鹏，杨春生.风机机组能效测试装置的研制.科学技术与工程，2013.