熱式氣體質量流量計恒功率法原理講（jiǎng）解

氣體質量流量計（jì）可以對氣體的質量流量進行精密測量和控製。它在多個領域的科研和生產中有著重要而廣泛的運用;本次要介紹一種熱式（shì）質量流量計,它（tā）具有精度高,重複性好,響應速（sù）度快,軟啟動,穩定可靠,工作壓力範（fàn）圍寬等特點。操作使用起來方便,可以任意位置安裝,配合流量顯示儀或其他流量控製顯示儀使（shǐ）用,相對其他流量計來說,熱式（shì）質量流量計能勝任大（dà）流量和高溫介質的測量（liàng）工作要求。

一、恒功率法

恒功率法(溫度測量法)是以恒定功率為鉑熱電阻提（tí）供熱（rè）量,使其加熱到高於氣體的溫度,流體流動帶走鉑熱（rè）電阻表（biǎo）麵一部分熱量,流量越大,溫度降越大,測量隨流體流量変化的溫度,可以反映氣體流量（liàng）。有以下兩（liǎng）種實現方法（fǎ）：

(1)隻對一隻鉑電阻加熱,由熱擴散原理測量溫差

原理:與恒溫差式流量計的結構（gòu）類似,在測量管路（lù）中同樣加入兩個金（jīn）屬鉑電阻,一（yī）個為用於測量被（bèi）測（cè）流體溫（wēn）度的測溫電阻（zǔ）,另一個為用於測量被測（cè）流體速度的（de）測（cè）速電阻。在加熱器上加上一個恒定的功率對（duì）測速鉑電阻（zǔ）加熱,流體在靜止時測速鉑電阻（zǔ）和測溫鉑電阻表麵溫度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的流動,兩個鉑電阻表（biǎo）麵溫度差減小。流體的流量（liàng）越大,兩隻鉑電阻的溫差越小。鉑電阻連接（jiē）在惠斯通電橋（qiáo）中,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈現不同阻值,從而使電橋不平衡（héng）,通過檢測（cè）電橋的電壓差（chà）來反應流體（tǐ）流量。

該恒功率（lǜ）式質量流量計存在的問題:若流體的密度為p,流速為μ,加熱鉑電阻被流體帶走的熱量為Q,測溫鉑電阻和測速（sù）鉑電阻的溫（wēn）度差為（wéi）△T21,則（zé）有關係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中對（duì）於組分一定的流體,k1、k2、k3為常數在橫截當S的管路中,質（zhì）量流量qm=p・u・S。測量過程中（zhōng）,測速鉑電阻被電（diàn）流加熱,在熱平衡狀態（tài）下,電流的加熱功率與測速鉑電阻被帶走的熱量處於平衡狀（zhuàng）態,即Q=I²·Rs2。因此質量流量qm與（yǔ）Q/△T21成（chéng）一一對應的關係,可（kě）表示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流不變（biàn）,通過測（cè）出流體的溫差△T21計算流體的質量流量時,忽（hū）略了測速鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會造成誤差。

2)對兩（liǎng）隻對（duì）稱的鉑電阻進行加（jiā）熱,由熱平衡原理計算溫度（dù）差。

傳感器的結構是把兩個全（quán）相同的鉑（bó）電阻（zǔ）對稱的固定在熱源的兩側（cè）,放置在流體中。采用一個恒流（liú）源(恒壓源（yuán）)對熱源加熱,流體流動使（shǐ）兩個鉑電阻的溫度不同。鉑電阻連接在惠斯通電橋中,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈（chéng）現（xiàn）不同阻值,從而使電橋不平衡,通過檢測電橋的電壓來反應流（liú）體流量。

現從傳熱（rè）學角度對該傳感器原理作進一步的分析。假定流體為均勻分布的牛頓型流體,以一維測量（liàng）為例:如圖1所示,熱（rè）源R置於傳感（gǎn）器基片的（de）中心,在（zài）其兩邊（biān）對稱地放置兩（liǎng）個完全相同的溫度檢測芯片(薄膜式鉑電阻)S1和S2傳感器與流體之間的熱交換主要通過（guò）對流進行,熱源與溫度檢測芯片之間的熱交換可通（tōng）過傳導和對流進行。

當流體流速為零,即當流體（tǐ）處於靜（jìng）止狀態時,表麵附近的流線場及主要由此產（chǎn）生的溫度場（chǎng）相對於熱源呈對稱分布。由於結構上的對稱性,通過基片熱傳導進行的熱交換相對於熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的（de）鉑電阻溫度滿足Ts1=Ts2,即溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當（dāng）流體流動時,流（liú）體和鉑電阻之間主要為對流換熱,由於局部對流換（huàn）熱係數的不同,基片表麵附近的流線場及相應的溫度場相對於中心熱源的分布發生變化,導（dǎo）致傾向性的不對稱分布（bù）。根據熱邊界層（céng）理（lǐ）論,可知,此時上遊溫度檢測芯片表麵冷卻速率高（gāo）於下遊芯（xīn）片表麵,即鉑電阻（zǔ）S1的換熱係數大於（yú）S2是換熱係數,所以（yǐ）Ts2Ts,溫差溫度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨流體流速的増大（dà）而增大。如果改（gǎi）變流體流向,△T21亦相應改變符號利用熱平衡方程可以計（jì）算出因對流（liú）引起的（de）芯片表麵的溫度再分布,獲得溫度（dù）差與（yǔ）流速（sù）的關係式。

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