熱式氣體質（zhì）量流量計恒（héng）功率法原理講解（jiě）

氣體質量流量計可以對氣體的質量流（liú）量進行精密測量和控製。它在（zài）多個（gè）領域的科研和生（shēng）產（chǎn）中（zhōng）有著（zhe）重要而廣泛的運用;本次要介紹一（yī）種熱式（shì）質量流量計,它具（jù）有精度高,重複性好,響（xiǎng）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（liàng）顯示儀或其他流量控製顯示儀使用,相對（duì）其他流（liú）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（liàng）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（gōng）率為鉑熱電阻提供熱量,使（shǐ）其加熱到高於氣體的溫度,流體（tǐ）流動（dòng）帶走（zǒu）鉑熱電阻（zǔ）表麵一部分熱（rè）量,流量越大,溫度（dù）降（jiàng）越大,測（cè）量隨流（liú）體流量変化的溫度,可以反（fǎn）映氣體流量。有以下兩種實現方法：

(1)隻對一隻鉑電阻（zǔ）加熱,由熱擴散（sàn）原理測量溫差

原理:與恒溫差式流（liú）量計的結構類似,在測量管路中同樣加入兩個金屬（shǔ）鉑電阻,一個為（wéi）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測流體速度的測速電阻。在加熱器（qì）上加上一個恒定的功率對測速鉑電阻（zǔ）加熱,流體在靜止時測速鉑電阻（zǔ）和測（cè）溫鉑電阻表麵溫（wēn）度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的流動,兩個鉑電阻表麵溫度差減小。流體的流量越大,兩隻鉑（bó）電阻的溫差越小。鉑電阻連接（jiē）在惠斯通電橋中,鉑電阻的溫度不（bú）同使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差來反應流體流量（liàng）。

該恒功率式質量流量計存在的問（wèn）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（liàng）為Q,測溫鉑電阻和測速鉑（bó）電阻的溫度差為△T21,則有關係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中對於組分一定的（de）流體,k1、k2、k3為常數在橫截（jié）當（dāng）S的管路中,質量流量qm=p・u・S。測（cè）量（liàng）過程中,測速鉑電阻被電流加熱,在熱平（píng）衡狀態下,電流的加熱（rè）功率與測速鉑電阻被帶走的熱量（liàng）處於平衡狀態（tài）,即Q=I²·Rs2。因此質量流量qm與Q/△T21成一一對應的關（guān）係,可表示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流（liú）不（bú）變,通過測出流體的溫差△T21計算流體的質（zhì）量流量時,忽（hū）略了測速鉑（bó）電阻Rs2隨溫度的變化,會造成誤差。

2)對兩隻對（duì）稱的鉑（bó）電阻進行（háng）加熱,由熱平衡原理計算溫度（dù）差。

傳感（gǎn）器的結構是把（bǎ）兩個全相同的鉑（bó）電阻對稱的固定在熱源的兩側,放置在流體中。采用（yòng）一個恒流源(恒壓源)對熱（rè）源加熱,流體流（liú）動（dòng）使（shǐ）兩個鉑電阻的溫度不同。鉑電阻（zǔ）連接在惠斯通電橋（qiáo）中,鉑電阻（zǔ）的溫度不同使鉑（bó）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。

現從傳（chuán）熱學角度對該傳感（gǎn）器原（yuán）理（lǐ）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置於傳感器基片的中心,在其兩邊（biān）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（xīn）片之間的（de）熱交（jiāo）換可（kě）通過傳導和對流進行。

當流體流速為（wéi）零,即當流體處於靜止狀態時,表麵附近的流（liú）線場及主要由此產生的溫度場相對於熱源（yuán）呈對稱分布。由於結構上（shàng）的對稱性,通過基片熱傳（chuán）導進行的熱交換相對於熱（rè）源（yuán）始終是對稱的。此時感溫芯片（piàn）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,由於局部對流換熱係數的不同,基片表麵附近的（de）流線場及相應（yīng）的溫（wēn）度場相對於中心熱源的分布發生變化,導致傾向性的不對稱分布。根據熱邊界層理論,可知（zhī）,此時上遊溫度（dù）檢測芯片表麵冷卻速率（lǜ）高於下遊芯片表麵,即鉑電阻S1的換熱係數大於S2是換（huàn）熱係數,所以Ts2Ts,溫差溫度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨流體（tǐ）流速的増大而增（zēng）大。如果改變流體流向,△T21亦相應改變符號利用熱平（píng）衡方程可以計算出因對流引起的芯片表麵的溫度（dù）再分布,獲得（dé）溫度差與流速的關係式。

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