摘要: 基于热分布式气体质量流量计的测量原理，对热分布式气体质量流量计的常见故障进行了统计，总结分析了热分布式气体质量流量计的常见故障原因以及影响机制。热分布式气体质量流量计的主要故障原因包括: 毛细测量管外气氛环境改变、流量计进水、层流阻流件松动、被测气体状态改变、使用环境温度过高或过低、流量计被堵塞等。非常后针对各项故障原因提出了预防解决措施。
引言
气体质量流量测量是目前生活和工业生产中不可或缺的一部分［1］。在现代工业生产现场和科学实验等很多情况中，都需要进行气体质量流量测量，如控制生产过程中各种物质的配比，监视生产运行情况，调控燃烧效率和环境等［2 － 3］。因此，气体质量流量测量在保证产品质量，提高生产效率，节约能源及在环保方面都有很重要的作用［4］。根据不同的测量原理，目前气体质量流量计主要有科里奥利质量流量计、热式气体质量流量计、差压式质量流量计等。综合产品价格、测量精度，热式气体质量流量计在医药、化工、能源领域中使用非常为广泛［5］。
七一一研究所多年来从事船用发动机和供气系统研发，为了提高发动机燃烧效率，需要合理配比燃油和氧气的质量流量，因此采用了测量精度较高的热分布气体质量流量计测量氧气的质量流量。但在流量计使用过程中出现诸多故障，有些故障的原因较为简单，有些故障的原因则难以判断。该文主要介绍了在使用热分布式气体质量流量计中遇到的各类故障及故障原因分析，从而为热分布气体质量流量计使用人员在故障诊断和故障处理时提供帮助。
1 热分布式气体流量计测量原理
热分布式气体质量流量计( Thermal Profile Mass Flow Meter) ，又称毛细管热式质量流量计( Capillary Thermal Mass FlowMeter，CTMF) ［6］，其结构如图 1所示，测量原理如图 2 所示。薄壁测量管外壁绕着两组兼作加热器和检测元件的绕组，组成惠斯登电桥，由恒流电源供给恒定热量，通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。边界层内热的传递可以看作是热传导方式实现。在流量为零时，测量管上的温度分布如图 2 中虚线所示，相对于测量管中心的上下游是对称的，由线圈和电阻组成的电桥处于平衡状态，2 个传感器测量的温度相同;当流体流动时，流体将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如图 2 中实线所示，由电桥测出两组线圈电阻值的变化，求得两组线圈平均温度差ΔT，便求出气体的质量流量［7 － 8］。由此可知气体质量流量 qm的计算公式为:
式中: Cp为被测气体的定压比热容; A 为测量管绕组( 即加热系统) 与周围环境热交换系统之间的热传 导系数; K1为仪表常数。
由于毛细管能够通过的流量较小，为了扩大仪表量程，人们在基本型的 CTMF 流量计的基础上提出分流式 CTMF 流量计，即在主流道内安装层流阻流件，以恒定比值分流部分流体到毛细测量管。因 此，对于分流式 CTMF 流量计，气体质量流量的计算公式为:
式中: K3为分流系数，即流经毛细管的气体流量占总的气体流量之比。
由此可知，影响热分布式气体质量流量计测量的主要参数有: 1) 电路元件自身参数，包括电阻、发热功率等; 2) 分流系数; 3) 被测气体热容; 4) 测量管与环境换热系数。
2 常见故障现象及统计
热式气体质量流量计主要是测量气体的质量流量并输出信号。该文对 214 台使用时间在两年内的流量计出现的故障进行统计，并根据不同故障原因导致的故障现象进行分类，发现故障现象主要为: 1) 测量结果偏差在 2% ＜ ε ＜ 5% ; 2) 测量结果偏差在 5% ≤ε≤10% ; 3) 测量结果偏差 ε ＞ 10% ; 4)无信号输出; 5) 零点偏差。在这 4 种情况中，流量计测量结果偏差在 2% ＜ ε ＜ 5% 的故障现象占比非常大，为 64% ; 流量计测量结果偏差在 5% ≤ε≤10%次之，占比为 21% 。热分布式气体质量流量计常见故障现象统计见图 3。
3 故障原因及分析
3． 1 毛细测量管外气氛环境改变
在热分布式气体质量流量计使用过程中，发现多台流量计在使用不到 1 个月后，测量精度偏差达到 － 10% 。经检测排查，发现故障原因为主流道内被测气体泄漏至密闭的测量壳内并累计，导致毛细测量管外气氛环境改变。
根据式( 2) 可知，热分布气体质量流量计测量精度受毛细测量管与环境的换热系数 A 影响。由于目前的热分布气体质量流量计在出厂标定时，毛细测量管均处于空气环境中，当被测气体泄漏导致毛细测量管外气氛变化后，将影响毛细管与环境的换热，从而影响流量计的测量精度。经试验验证，将毛细测量管至于高浓度氧气( O2 ) 环境中，流量计的测量偏差可下降至 － 5% ～ － 10% 。随后使用空气吹扫毛细测量管后，流量计测量精度即可恢复正常。
造成被测气体泄漏的主要原因是毛细测量管和主流道之间的密封失效。解决该问题的主要途径需要流量计制造厂商提高该处的密封可靠性。作为用户，可定期吹扫，预防毛细管外气氛发生变化。
3． 2 流量计进水
流量计进水也是导致热分布式气体质量流量计故障的常见原因之一。为了分析进水对热式流量计的影响，开展了相关试验研究。
首先对进水后的流量计连续进行 6 次检测，然后将流量计晾置 3 天后，再进行 3 次检测，得到如图4 所示的试验结果，每次检测试验时间约 30 min。试验用热分布式气体质量流量计未进水前测量偏差为 － 1． 1% ＲD。从图中可以看出，该流量计进水后，流量计测量偏差明显增大，且测量值要大于标准流量计的测量值。随着试验的进行，流量计内的水被不断吹走，测量偏差逐渐减小，但短时间内仍未恢复正常。当流量计晾置 3 天后再次进行测量，测量偏差恢复正常。
热分布气体质量流量计进水后导致测量值大于实际值的主要原因有: 1) 液态水夹杂在层流阻流件内，导致主流道内流阻增大，实际气体流量减小，从而测量值偏大; 2) 液态水流入毛细测量管内，强化了毛细测量管与被测气体/水混合物之间的换热，使得在相同气体流量下，从上游带给下游的热量更多， ΔT 增加，导致测量结果偏大。因此在使用热分布气体质量流量计时，只能用于测量干燥和洁净的气体，并避免上下游饱和蒸汽在流量计内凝结。
3． 3 层流阻流件松动
层流阻流件的主要作用是将湍流的气体变成层流的气体，从而实现毛细测量管内气体流量和主流道内流量为一个固定的比例。当热分布式气体质量流量计层流阻流件松动后，将影响流量计的分流系数 K3，从而影响氧流量计的精度。图 5 为某热分布式气体质量流量计层流阻流件结构，其紧固件为 3个细牙螺母。
一般情况下，当层流阻流件松动后，流经主流道内的气体流量增多，K3 值增大，流量计测量流量结果小于实际流量，即流量计测量偏差为负值。在实际使用过程中发现，当层流阻流件松动时，流量计的精度急剧下降，流量计的测量偏差可达 － 20% 及以上。
因此，热分布式气体质量流量计在运输时应做好防护，防止剧烈撞击和振动。同时流量计在安装使用时，也应尽量远离振动源，并定期标定。
3． 4 被测气体状态改变
从式( 2) 可以看出，热分布式气体质量流量计测量结果与气体的物性有关，尤其是比热容 Cp。因此尽管热分布式气体质量流量计响应质量流量的变化，当被测气体状态的变化，例如混合气体的成分、过程压力和( 或) 温度的变化会影响比热容，从而影响流量计的性能。
当被测气体为氧气( O2 ) 时，压力变化对热分布式气体质量流量计的测量精度影响约为 ± 0． 15% /bar;当被测气体为氮气( N2 ) 时，压力变化对热分布式气体质量流量计的测量精度影响约为 ± 0． 1% /bar，当被测气体为氢气( H2 ) 时，压力变化对热分布式气体质量流量计的测量精度影响约为 ± 0． 01% /bar。温度变化对热分布式气体质量流量计的测量精度影响则约为 ± 0． 05% /℃。压力和温度变化对热分布式气体质量流量计的影响值主要依赖于气体比热容的变化，因此用户可以根据被测气体的比热容变化来反推气体压力和温度对流量计测量精度的影响程度。
一般情况下，流量计订购时需提供被测气体种类、工作压力点和温度点，厂家在出厂前会对流量计进行标定，使其在要求的工作环境下满足测量精度要求。对于大部分工业应用，气体种类和气体工作压力可以很好控制，但气体温度往往随着环境温度变化而变化，从而引起测量误差。因此，当被测气体状态发生改变时，需要对这些变化进行补偿。
3． 5 使用环境温度过高或过低
一般热分布式气体质量流量计的正常使用环境温度为 － 10 ～ 70 ℃，使用环境温度过高( ＞ 70 ℃，如发动机舱室内) 或过低( ＜ － 10 ℃，如北方寒冷地区) 也会影响热分布式气体质量流量计的测量精度。因为热分布式气体质量流量计的测量原理是基于毛细测量管的温度变化，并且毛细测量管上发热绕组的发热量很小，外界环境温度过高或过低会影响毛细管的温度分布。虽然流量计厂家在设计时已经对毛细测量管采取了一定的保温措施，以减少毛细测量管和外界环境之间的对流换热和辐射换热，但是当外界环境温度过高或过低时，从流量计壳体热传导过来热量也会影响毛细测量管上温度分布，从而影响氧流量计精度。
3． 6 流量计被堵塞
流量计被堵塞也是导致流量计测量偏差的原因之一。当层流阻流件被杂质堵塞后，主流道内流阻增加，实际流量减小，测量值比实际值偏大; 当毛细测量管被杂质堵塞后，毛细测量管内流量减少，导致测量值比实际值小。
目前热分布式气体质量流量计在使用时，上游均会安装滤器防止杂质堵塞流量计，因此该类故障较少发生。但是需要注意的是在流量计在定期标定往返途中的防尘�；�，以及需要定期清洗流量计上游的滤器。
3． 7 其他
除以上故障原因外，热分布式气体质量流量计在使用过程中还存在电路板损坏导致无信号输出、传感器故障导致零点存在偏差、以及电子元器件老化( 尤其是发热绕组的老化，导致绕组的发热功率和电阻产生变化) 导致流量计测量精度下降等故障原因。这些故障发生概率较低，出现故障后选择返厂维修处理。
4 结语
在热分布式气体质量流量计使用过程中，测量精度降低是流量计的主要故障现象。而导致该故障的原因众多，主要有: 毛细测量管外气氛环境改变、流量计进水、层流阻流件松动、被测气体状态改变、使用环境温度过高或过低、电子元器件老化等。其中故障原因毛细测量管外气氛环境改变和层流阻流件松动较难发现，且对流量计测量精度影响较大，需要得到重视和关注。故障原因流量计进水、被测气体状态改变、使用环境温度过高或过低、电子元器件老化相对容易发现，但也需要使用者在使用流量计时按照流量计使用要求使用，并定期对流量计进行标定。
