熱式氣（qì）體（tǐ）質量流量計恒功率法原理講解

氣體（tǐ）質量流量計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（cì）要介紹一種熱式質量流量（liàng）計,它具有精（jīng）度高（gāo）,重複性好,響應速度快,軟啟動,穩定可靠,工作壓力範圍寬等特點。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用,相對其他流量計（jì）來說,熱式質量（liàng）流量計能勝任大流量（liàng）和高溫介質（zhì）的測量工作要求。

一、恒功率法

恒功率法(溫度測量法（fǎ）)是以（yǐ）恒定功率（lǜ）為鉑熱電阻（zǔ）提供熱量,使其加熱到高於氣體的溫度（dù）,流體流動帶走鉑熱電阻表麵一部（bù）分熱量,流量越（yuè）大,溫度降越大（dà）,測量（liàng）隨（suí）流體流量変化的溫度,可以反映氣體流量。有以下兩種實現方（fāng）法：

(1)隻對一隻鉑電阻加熱,由熱（rè）擴散原理測量溫差

原理（lǐ）:與恒溫差式流量計的結構類似,在（zài）測量管路中同樣加入（rù）兩個金屬鉑電阻（zǔ）,一個為用於測量被測（cè）流體溫度的測溫電阻,另一個為用於測量被（bèi）測流體速度的測速電阻。在加熱器上加上一（yī）個恒定的功率對測速鉑（bó）電阻加熱,流體在靜止時測（cè）速鉑電阻和測溫鉑電阻表麵溫度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大（dà）,隨著介質的流（liú）動,兩個鉑電阻表麵溫（wēn）度（dù）差減小。流體的流量越大,兩隻鉑（bó）電阻的溫差越小。鉑電（diàn）阻連接在惠斯通電橋中,鉑（bó）電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈現不同阻值（zhí）,從而使電橋不平衡,通過檢測（cè）電橋（qiáo）的電壓差來反應流體流量。

該恒功率式質量流量計存在的問題（tí）:若流體的密度為p,流速（sù）為μ,加熱鉑電阻（zǔ）被流體（tǐ）帶走的熱量為Q,測溫鉑電阻和測（cè）速鉑（bó）電阻的溫（wēn）度差為（wéi）△T21,則有關係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中對於組分一定（dìng）的流體（tǐ）,k1、k2、k3為常數在橫（héng）截當S的（de）管路中,質量流量qm=p・u・S。測量過程中,測速鉑電阻（zǔ）被電流加熱,在熱平衡狀態下,電流（liú）的加熱功率與測速鉑電阻被帶走的熱量處於平衡狀態,即Q=I²·Rs2。因此（cǐ）質量流量qm與Q/△T21成一一對應（yīng）的關係,可表（biǎo）示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流不（bú）變,通過測出流體的溫差△T21計算流體的質量流（liú）量時,忽略了（le）測速鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會造成誤差。

2)對兩隻對稱的鉑電阻進行加熱,由熱平衡原理計算溫度差。

傳感器的結構是把兩個全相同的鉑（bó）電阻對稱的固定在熱源的兩側（cè）,放置在流（liú）體中。采用（yòng）一（yī）個恒流源(恒壓源)對熱（rè）源加熱,流體流動（dòng）使兩個鉑電（diàn）阻的溫度不同。鉑電阻連接在（zài）惠斯通電橋中（zhōng）,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈現不同阻值,從（cóng）而使電橋不平衡,通過檢測電橋（qiáo）的電壓來反應流體流量。

現從傳熱學角度對該傳感（gǎn）器原理作進一步的分析。假定流體（tǐ）為均勻分布（bù）的牛（niú）頓型流體,以一維（wéi）測量為例:如圖1所示,熱源R置於（yú）傳（chuán）感器基片的中（zhōng）心,在其兩邊對稱地放（fàng）置兩個完全相（xiàng）同的溫度（dù）檢測芯（xīn）片(薄膜式鉑電阻)S1和S2傳感器與流體之間的（de）熱交換主（zhǔ）要通過對流進行,熱源與溫度檢（jiǎn）測芯（xīn）片之間的熱交換可通過傳導和對流進行。

當流體流速為零,即當流體處於靜止狀態時,表麵附近的（de）流線場及主要由此產（chǎn）生的溫度場相對於（yú）熱源呈對稱分布。由於結構上的對（duì）稱性,通過基（jī）片熱傳導（dǎo）進行的熱（rè）交換相對於熱源始終是對稱的。此時（shí）感溫芯片的鉑（bó）電阻（zǔ）溫度滿足Ts1=Ts2,即溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當流體流動時,流體和鉑電阻之間主要為（wéi）對流換熱,由於局部對流換熱係數的（de）不同,基片表麵附近的流線場及相應的溫度場（chǎng）相對於中心熱源的分（fèn）布發生變化,導致傾向性的不對稱（chēng）分布。根據（jù）熱邊界層理論,可（kě）知,此（cǐ）時上遊溫度檢測芯片表麵冷卻速率高於下遊芯片表麵,即鉑電阻S1的換熱係數大於S2是換熱係數,所以Ts2Ts,溫差溫度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨流體流速的増大而增大。如果改（gǎi）變流體流向,△T21亦相應（yīng）改變符號利用熱平衡方程可以計算出因對流引起的芯片（piàn）表麵的溫度再分布,獲得溫度差與流速的關係式。

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