氣體質量流量計可以對氣體的質量流量進行精密測量和控制。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質量流量計,它具有精度高,重復性好,響應速度快,軟啟動,穩(wěn)定可靠,工作壓力范圍寬等特點。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制顯示儀使用,相對其他流量計來說,熱式質量流量計能勝任大流量和高溫介質的測量工作要求。

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供熱量,使其加熱到高于氣體的溫度,流體流動帶走鉑熱電阻表面一部分熱量,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。有以下兩種實現方法：

(1)只對一只鉑電阻加熱,由熱擴散原理測量溫差

原理:與恒溫差式流量計的結構類似,在測量管路中同樣加入兩個金屬鉑電阻,一個為用于測量被測流體溫度的測溫電阻,另一個為用于測量被測流體速度的測速電阻。在加熱器上加上一個恒定的功率對測速鉑電阻加熱,流體在靜止時測速鉑電阻和測溫鉑電阻表面溫度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的流動,兩個鉑電阻表面溫度差減小。流體的流量越大,兩只鉑電阻的溫差越小。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現不同阻值,從而使電橋不平衡,通過檢測電橋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: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,測溫鉑電阻和測速鉑電阻的溫度差為△T21,則有關系式:Q/△T21=k1+k2(p?u)k3式中對于組分一定的流體,k1、k2、k3為常數在橫截當S的管路中,質量流量qm=p?u?S。測量過程中,測速鉑電阻被電流加熱,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于平衡狀態(tài),即Q=I2·Rs2。因此質量流量qm與Q/△T21成一一對應的關系,可表示為:qm=f[I2·R32/△T21]當加熱電流不變,通過測出流體的溫差△T21計算流體的質量流量時,忽略了測速鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會造成誤差。

2)對兩只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電阻對稱的固定在熱源的兩側,放置在流體中。采用一個恒流源(恒壓源)對熱源加熱,流體流動使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現不同阻值,從而使電橋不平衡,通過檢測電橋的電壓來反應流體流量。

現從傳熱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,以一維測量為例:如圖1所示,熱源R置于傳感器基片的中心,在其兩邊對稱地放置兩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對流進行,熱源與溫度檢測芯片之間的熱交換可通過傳導和對流進行。

當流體流速為零,即當流體處于靜止狀態(tài)時,表面附近的流線場及主要由此產生的溫度場相對于熱源呈對稱分布。由于結構上的對稱性,通過基片熱傳導進行的熱交換相對于熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的鉑電阻溫度滿足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對流換熱,由于局部對流換熱系數的不同,基片表面附近的流線場及相應的溫度場相對于中心熱源的分布發(fā)生變化,導致傾向性的不對稱分布。根據熱邊界層理論,可知,此時上游溫度檢測芯片表面冷卻速率高于下游芯片表面,即鉑電阻S1的換熱系數大于S2是換熱系數,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。如果改變流體流向,△T21亦相應改變符號利用熱平衡方程可以計算出因對流引起的芯片表面的溫度再分布,獲得溫度差與流速的關系式。

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