气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 电子流量控制器中的流量传感器 —— 质量流量计
概述
气相色谱仪的电子流量控制单元的流量测量原理和常见流量传感器（质量流量计）的原理
质量流量计
工业监控中常见的容积式、叶轮式、涡街式流量计都被用来直接测定流体的体积流量（压差式流量计可以通过流体参数的转化计算获得质量流量），质量流量计与其不同，可以用来直接测定流体的质量流量，而不受流体密度、温度或者压力的影响。
质量流量计的压力损失较低、流量测量范围较大。内部无可动部件，可靠性和精度较好，可以用于较低气体流量的测量和控制。
质量流量计可以分成科里奥利质量流量计和热式质量流量计两类，可以用于气相色谱仪的电子流量控制器中气体流量测定的是热式流量计（Thermal Mass Flowmeters，TMF）。
热式质量流量计利用流体流过外热源加热的管路时产生的温度场变化来测量流体的质量流量；或者利用加热流体时流体温度上升某一数值所需能量与流体质量之间的关系来测定流体质量流量。
热式质量流量计利用热传导原理测定气体的质量流量，即气体的放热量或者吸热量与该气体的质量成正比。被测定气体流过对称排布的两个或者多个温度传感器表面，在不同的质量流速下，温度传感器表面温度会发生不同变化。在一定的流量范围之内，温度变化与气体质量流量存在确定的对应关系，可以利用此原理来进行流量测定，其基本结构如图1所示。
图1 质量流量计结构示意图
如图1-a所示，在气体流经的管路中安装有加热器Heater，在其前后对称的位置，各安装一个温度传感器TS1和TS2。
当气体流速为0时，由于温度场分布是对称于加热器Heater，那么两个传感器的测定温度相同，均为T0。
当气体质量流量逐渐增加时，气体将逐渐携带加热器Heater表面的部分热量，流量计内部温度场的对称性被破坏，温度传感器TS1表面温度下降，由T0变成T1，温度传感器TS2表面温度上升，由T0变为T2。
在一定的气体流量范围内，两个温度传感器的温度差ΔT（ΔT = T2 - T1 ）与流体的质量流量有确定定量关系。
两个温度传感器温度差ΔT会随着质量流量的增加而增加，当气体的质量流量趋向于无穷大时，两个温度传感器接触到的几乎都是未被加热的气体，温差ΔT也趋向于0，如图2所示。
图2 温差与质量流量的关系特性
由温差——质量流量关系特性曲线可知，热式质量流量计不适合分析过高的气体流速。测量微小气体流量由于信号微弱，也存在测量精度较低的问题。
质量流量计测定的气体的质量流量Fm与两个温度传感器的温度差ΔT的关系式为：
（1-1）
公式1-1中：
Fm —— 气体的质量流量
E —— 加热器的功率值
Cp —— 气体的比热容
ΔT —— 温度差
随着现代微电子-微机械技术的发展，出现了微型热分布式质量流量计，外观尺寸可以缩小到cm级别，可以作为一个单独的电子元件，方便的安装在色谱仪电子流量控制器的线路板上，并且可以成功解决测定微小气体流量的问题。
其基本原理与热式质量流量计相同，但是加热部件和温度传感器部件的排布方式有所不同，其结构原理如图3所示
图3 热分布式质量流量计结构图
流量计的温度传感器在内部电气线路设计方面被连接成电桥方式，可以感知极微弱的温度差异，并且由于总体部件尺寸的缩小，微型热分布式质量流量计可以测定微小的气体流量。与热式流量计相似，热分布式质量流量计不太适合直接测定过高的气体流量。当需要测定较大流量时，需要配备有分流部件，可以较大范围扩展其测量范围。
质量流量计的特点和使用注意事项
质量流量计具有较高的流量测定精度，比较适合测定微小的气体流量，测量灵敏度较高，使用性能稳定可靠。可以安装在气相色谱仪的进样口载气电子流量控制器中。
比较差压式流量计，质量流量计的惯性较大，不容易实现迅速的流量控制；’气体的温度和压力变化对流量计的测量准确性影响较小。
质量流量计的使用注意事项：
1 气体的类型设置
对于气相色谱仪，不同的载气具有不同的比热容，会对流量计的温度——流量响应关系带来一定的影响。
在设定气相色谱分析方法时，需要在色谱仪硬件和色谱数据工作站软件中设置正确的载气类型。
2 质量流量——压力校准
与差压式流量计相同，配置有质量流量计的气相色谱仪随着运行时间的增长，电气部件性能会发生逐渐变化，流量计内的管路散热情况也会因为堵塞、污染等问题产生差异，都会影响流量计的温度——质量流量关系，从而影响流量测定的准确性。
3 气源的要求
气源要求洁净、不含有油污、水分或者固体颗粒物，尽量避免气源压力和流量的瞬间剧烈变化造成流量计的损坏。
小结
本文简单介绍气相色谱仪电子流量控制器内置质量流量计的基本原理和使用注意事项。
应助达人
仪器信息网“仪友会”招募令
科学仪器品牌联合“仪器心得”征文活动
【生活中的仪器检测】有奖征文
LC-MS实验瓶颈的突破与优化
