摘要：高纯气体具有组分稳定，无尘、无水滴、无油污的特点，为流量测量和流量计的稳定运行创造了良好的条件。通过对比差压式流量计和热式质量流量计的工作原理及在高纯气体实际测量中的应用，介绍了选用两种流量计的条件，分析了差压式流量计和热式质量流量计在实际测量中存在的误差原因，并给出了相应解决方案。

         高纯气体在各行各业和工业生产都有广泛的用途，它通常由空气分离工艺制取，气态高纯气体经管道或钢瓶集装格输送给用户，液态产品用槽车运输给用户。在用管道输送高纯气体的流程中，贸易交接计量通常为气体流量计，流量计的公称通径从５０ｍｍ到几百毫米。多数交接量大、结算金额高的交接点，往往是供需双方各装１套流量计，从而做到公平计量，万无一失。关于高纯气体流量计的选型，由于测量对象的特点和传统习惯，大多选用标准孔板流量计，该类流量计具有下列特点［１２］：１）稳定性和可靠性高，抗干扰能力强，维护和更换简单、方便。２）流量测量范围宽。３）测量准确度能满足气体贸易交接的需要。４）计量检定方便。大多采用几何检定法进行检定，操作简单而且费用较省。有的供方（或需方）要求在经过几何法检定之后，再用实流检定法检定一次。实践证明，如果１套流量计的各个环节都是合格的，则实流检定结果也会是合格的。５）价格相较于科里奥利质量流量计便宜很多。６）量程比窄是孔板流量计的一大缺点，但是近年来蓬勃发展双量程孔板流量计，能将其量程比扩大到３３倍，而且达到１．０％不确定度，从而弥补了该缺陷［３４］。

１高纯气体的特点及其对流量测量的影响

         高纯气体的纯度极高，组分的变化完全可以忽略不计，因此，气体的密度除了受温度、压力及压缩系数影响之外，无其他因素。而且因为高纯气体无灰尘、无水滴、无油污，为高纯气体流量的准确测量创造了优越的条件。

         用差压式流量计测量蒸汽流量时，必须将气相的差压信号转换成凝结水的差压信号。该转换如果处理不当，会引入些许测量误差。另外，当蒸汽进入饱和状态后，由于管道内两相流的存在，也会增加一定的测量误差，当然，两相流对涡街流量计的影响更大。而当被测流体为高纯气体时，由于流体是干燥的，完全不存在两相流和气相转液相的问题，所以，达到规定的准确度更有保证。

２高纯气体测量案例

２．１测量案例一

         福建某公司向邻近另一家公司供气的管网如图１所示。供方在上游管道上装了３套ＦＤＩｄ型双量程标准差压流量计用于贸易交接计量，需方在下游装了３套与上游相同型号规格的流量计用于监测。

         ６套流量计投运后，ＦＩＱ０３和ＦＩＱ０４之间，ＦＩＱ０５和ＦＩＱ０６之间，２４ｈ累积流量差值小于０．５％；ＦＩＱ０１和ＦＩＱ０２之间，２４ｈ累积流量差值略大于１％，经现场检查后的原因是ＦＩＱ０１的差压变送器由于用水实流检定时水未排尽，高低压室内有残存的水。将残存的水排尽后，上下游流量计示值差回到０．５％以内。

２．２测量案例二

青海某单晶硅厂将氧气、氮气和氢气分别通过ＤＮ５０，ＤＮ５０和ＤＮ８０管道送到下游的光纤厂。为了贸易交接，供方在上游安装了３套ＦＤＩｄ型双量程差压流量计，需方则在下游安装了３套用于监测的流量计，为了节省投资，选用了热式质量流量计（ＴＭＦ）。

该６套流量计投入运行后，３路气体的２４ｈ累积流量都表现为上游大下游小，差值约为６％～１０％。其中氢气流量差值非常大。

         由于上下游计量结果差值较大，而且计量数据用于财务结算，所以双方对此差值都非常关注。供方认为，上游的双量程差压流量计准确度高，量程比大，而且经过政府授权机构检定合格，所以计量结果是可信的。而需方认为，该厂选用的热式

质量流量计尽管价格便宜，但准确度为１．５级，而且有出厂合格证书，计量结果也应是准确的。双方争执不下，于是咨询了专业人士。技术原因分析如下。

３热式质量流量计在高纯气体流量测量中的应用

３．１热式质量流量计工作原理

         热式质量流量计按检测件的结构分类，有热分布型和基于金氏定律的浸入型。在管径较大时，用的都是后者。

         金氏定律浸入型热式质量流量计又分温差测量法和功率消耗测量法。两种测量方法虽不同，但都有２根铂热电阻，分别置于气流中的２根金属细管内，其中一根热电阻测量气流温度为θ１，另一根热电阻经功率恒定的电能加热到温度θ２，流量为０时，温差Δθ＝θ２－θ１非常大，随着质量流量ｑｍ的增大，气流带走更多热量，温度下降，测得Δθ就可计算出ｑｍ。消耗功率Ｐ、温差Δθ与ｑｍ之间的关系如式（１）所示：

         式中：Ｋ１，Ｋ２———与检测件几何形状及所测气体物性如导热系数、比热容ｃ、黏度等有关的系数。Ｋ３———与雷诺数有关的系数［５６］。温差测量法就是Ｐ为固定值，通过测量Δθ求得ｑｍ；功率消耗测量法则是改变Ｐ使Δθ为定值，

         从而由Ｐ求得ｑｍ。系数的值是每台仪表在所测不同气体时所特有的，因此浸入型热式质量流量计要用待测的实际气体逐台校准。浸入型热式质量流量计原理如图２所示。

３．２热式质量流量计误差分析

         上游流量计的准确度是±１．０％［４］，下游流量计的准确度为±１．５％，两者差异并不大，但是仔细分析后会发现其中原因。

         热式质量流量计由于其工作原理和结构的特点，准确度常用引用误差或者示值误差与引用误差相结合的方法来表示［５６］。例如热式质量流量计市场份额居首位的ＦｌｕｉｄＣｏｍｐｏｎｅｎｔｓＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬＬＣ（ＦＣＩ）公司的ＳＴ９８型热式质量流量计，该流量计量程比为１０∶１或２０∶１，误差Ｅ计算如式（２）所示。

式中：ｑｍ１———质量流量实际值；ｑｍＦＳ———质量流量满度值。

当流量为满度值时，Ｅ＝±１．５％ｑｍ１；当流量为１０％ｑｍＦＳ时，非常大误差就达±６．０％ｑｍ１。如果流量更小，则非常大误差变得更大。而双量程差压流量计，从参考文献［４］中的图４可知，在ｑｍ１＝３％ｑｍＦＳ和ｑｍ１＝１７．３％ｑｍＦＳ时，准确度仍能达到±１．０％ｑｍ１［４］，从而使上下游２套流量计的计量结果出现较大差异。

３．３替代法标定引入的误差

从热式质量流量计的标定、检定方法剖析，查找用于氢气流量测量的上下游２套计量仪表存在计量偏差的原因。

对于高纯氢气，其标准状态下的密度是稳定且已知的，所以用差压式流量计测量其流量，能得到与测量氮气和氧气相同的准确度。但是，用热式质量流量计测量氢气流量时，出现另一个差异。即热学特性的差异。

众所周知，热式质量流量计在出厂前要经过实流逐台标定，在送计量检定机构检定时，也都要实流检定。对于热式质量流量计来说，气体的种类是多种多样的，不可能为每一种气体都建流量标定装置。为了解决该问题，一般采用替代法标定、检定。

ＧＢ／Ｔ２０７２７—２００６《封闭管道中流体流量测量热式质量流量计》／ＩＳＯ１４５１１：２００１规定，热式气体质量流量计可使用和（或）类似于待测过程气体的替代气体校准热式质量流量计。然后用Ｋ系数进行修正或数值计算，转换成待测过程气体和（或）使用工况下的条件［５６］。文献［５］中认为，可直接用空气标定，然后用Ｋ系数修正。实验证明，不确定度［５，８］大约增加２％。文献［５］给出的几种气体的转换系数见表１所列。

　某制造厂提供的热式质量流量计换算系数见表２所列。

         该表格的非常后一行特别强调：不同资料来源，数据会有差异。

         采用该方法校准流量计其实是不得已而为之。表１和表２中所列出的换算系数，反映了待用气体的热学特性与空气的差异。对于案例二中所涉及的３种流体中，氮气和氧气的热学特性与空气差异较小，因为空气的主要成份就是氮气和氧气，故采用换算方法引入的附加误差理应较小。但是氢气与空气相比差异就大了，氢气的导热系数是空气的７倍，氢气的密度只有空气的７．１％，摩尔定压比热容ｃｐ更是相差了１３倍。这些差异都会给换算带来较大的误差。除此之外，流体的温度和压力也会给投入运行的热式质量流量计的零点和量程带来附加误差。

３．４过程温度和压力对热式质量流量计的影响

         根据相关的国家标准，需要在实际工作温度、压力条件下，用实际测量的气体，进行零点调整。关于温度、压力对量程的影响，ＧＢ／Ｔ２０７２７—２００６规定，必须有标准表提供工况条件下的参比测量值，才能进行比对，然后进行调整。而要找符合要求的标准表，往往是困难的。

         上述影响都会为热式质量流量计带来较大的误差。例如有一家生产销售工业气体的德国公司，定期为客户用钢瓶集装格送氦气，重车和空车均过秤，重车与空车的质量差即为本次送货量。

         而用户端则用外国产热式质量流量计作为计量手段，两个计量数据进行比对，发现每次送检重新投入使用后，热式质量流量计都要出现２０％左右的误差（总量）。因此怀疑该误差是由氦气与空气密度的误差及两者热学特性的误差引起的。而检定机构又是在空气流量标准装置内检定，然后换算得到的计量结果。因此，用热式质量流量计测量该类气体时，要特别注意。

３．５精确度较高的热式质量流量计

         国外某品牌热式质量流量计具有以下特性：读数精确度为±０．５％，可修改管道尺寸，可切换气体种类，量程比为１００∶１。

         粗看这是一款精确度极高，量程比极宽，可适用于各种管径，还适用于不同气体的万能流量计。但仔细研究其所列的精确度的补充说明后发现：原来０．５级精确度是引用误差，其量程比１００倍在流量为１％ｑｍＦＳ时，允许误差较高。所以作为用户或自控设计人员，应该研究具体指标背后的应用条件。

         由于热式质量流量计自身固有特性的存在，难免使其在实际应用中出现较大误差，案例二中下游的用气单位不得不第二次投资，将３台流量计也换成ＦＤＩｄ型双量程标准孔板流量计，才使上下游计量结果基本相符，从而结束长达一年之久的纷争。

         很多年以来，热式质量流量计在光纤、半导体等行业具有非常好的业绩。在光纤、半导体工厂，几百、上千台小通径热式质量流量计长期可靠运行，而且测量准确度也获得用户好评。而在该应用实例中，实际效果却并不理想，究其原因是由于测量任务的差异。在光纤厂、半导体工厂中大面积使用的热式质量流量计是用于过程控制，对流量测量准确度和量程比，都要求不高。而在上述案例中，测量目的是计量收费，对测量准确度和量程比都要求非常高，尤其是在相对流量很小时，测量准确度不能满足使用要求。因此出现上下游的计量结果出现显著的差异。

４结束语

         高纯气体具有组分稳定，无尘、无水滴、无油污的特点，为流量测量和流量计的稳定运行创造了良好的条件。在高纯气体的流量测量中，双量程孔板流量计以其固有的特点，占有显著的优势。在以计量收费为目的应用中，更是如此，其测量准确度达±１．０％，量程比达３３倍。

         在以计量收费为目的的应用中，热式质量流量计应用效果欠佳，这是因为对测量准确度和量程比的要求较高。所以在设计选型时，应做好周密的调查研究工作，明确测量对象以及测量目的以及对测量准确度和量程比的要求，尽可能选择工作稳定可靠，精确合理、维护方便、投资节省的测量仪表，以防失误。