熱式氣體質量流（liú）量計恒功率（lǜ）法原理講解

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製。它在多（duō）個領域的（de）科研和生產中（zhōng）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,重複性好,響應速度快（kuài）,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（shì）儀或其他流量控製顯示儀使（shǐ）用,相對其他流量計（jì）來說,熱式質量流量計能勝任大流（liú）量和高溫介質的測量工作要（yào）求（qiú）。

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,使其加熱到高於氣體的溫度,流體流動帶走鉑熱電阻表麵一部分熱量,流量（liàng）越大（dà）,溫度降越大（dà）,測量隨流體流量変化的溫（wēn）度,可以反映氣體流量。有以下兩種實現方法：

(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（liú）量計的結構類似,在測量管路中同樣（yàng）加入兩個金屬鉑電阻,一個為用於測量被測流體溫度的測溫電阻,另一個（gè）為用於測量被（bèi）測流體速度的測速電阻。在加（jiā）熱（rè）器上加（jiā）上一個恒定的（de）功率對測速鉑電阻加熱,流體在靜（jìng）止時測速鉑電阻和測溫（wēn）鉑電阻表麵溫度差（chà）△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的流（liú）動,兩個鉑電阻表麵溫度差減小。流體的流量越大,兩隻鉑電阻的溫（wēn）差越小。鉑電（diàn）阻連接在惠斯通電橋中,鉑電阻的溫度不同使鉑電（diàn）阻的電阻呈現不同阻值,從而使電橋（qiáo）不平衡,通過檢測電（diàn）橋的電壓差來反應流體流（liú）量。

該恒功率式質量流量計存（cún）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（zé）有關係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式（shì）中對（duì）於組分一定的流體,k1、k2、k3為常數在橫截當S的（de）管路中,質量流量qm=p・u・S。測量過程中,測（cè）速鉑電阻被電流加熱,在熱（rè）平（píng）衡狀態下,電流的加熱功率與測速鉑電阻被帶走（zǒu）的熱量處於平衡狀態,即Q=I²·Rs2。因此質（zhì）量流量qm與Q/△T21成一一對應的關（guān）係,可表示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流不變,通過測（cè）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（dù）的變化,會造成誤差。

2)對兩隻對稱的鉑電阻進行加（jiā）熱,由熱平衡原理計算溫度差。

傳感器的結構是（shì）把兩個全相同的鉑電阻對稱的固定在熱源的兩側（cè）,放置在流體中。采用一個恒流源(恒壓源（yuán）)對熱源加（jiā）熱,流體流（liú）動使兩個（gè）鉑電阻的溫度不同。鉑（bó）電阻連接在惠斯通電橋中,鉑電阻的溫度不同使（shǐ）鉑電阻的電阻呈現不同（tóng）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（liàng）。

現從傳熱學角度對（duì）該傳感器原理作進一步的分析。假定流體為均勻分（fèn）布的牛頓型流（liú）體,以一（yī）維測量為例:如圖（tú）1所示,熱源R置（zhì）於傳感器基片的中心,在其兩邊對稱地放（fàng）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（zhī）間的熱交換可通過傳導和對流進行。

當流體流速（sù）為零,即當流體處（chù）於靜止狀態時,表麵附近的流線場及主要由此產生的溫度場相（xiàng）對於熱源呈對稱分布。由於結構上的對稱性,通過基片（piàn）熱傳導進行的熱交（jiāo）換相（xiàng）對於熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的鉑電阻溫度滿（mǎn）足Ts1=Ts2,即溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當流體流動時,流體和（hé）鉑電阻之間主要為對流換熱,由於（yú）局部對流換熱係數的不同,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布發（fā）生（shēng）變化,導致傾向性的不（bú）對稱分布。根據熱邊界層理論,可知,此（cǐ）時上遊溫度檢測芯片表麵冷卻速率高於下遊芯（xīn）片表麵,即鉑電阻S1的換熱係（xì）數大於S2是換熱係數,所以（yǐ）Ts2Ts,溫差溫度差（chà）:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨流體流速的（de）増大而增大。如（rú）果改變流體流向,△T21亦相應改變符號利用熱平衡方程可（kě）以計算出因對流引起的芯片表麵的溫度再分布,獲（huò）得溫度差與流速（sù）的關係式。

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