氣體質(zhì)量流量計可以對氣體的質(zhì)量流量進行精密測量和控制。它在多個領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)中有著重要而廣泛的運用;本次要介紹一種熱式質(zhì)量流量計,它具有精度高,重復(fù)性好,響應(yīng)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(zhì)量流量計能勝任大流量和高溫介質(zhì)的測量工作要求。

一、恒功率法

恒功率法(溫度測量法)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(xiàn)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(xiàn)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(yīng)流體流量。

該恒功率式質(zhì)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(guān)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(shù)在橫截當(dāng)S的管路中,質(zhì)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(zhì)量流量qm與Q/△T21成一一對應(yīng)的關(guān)系,可表示為:qm=f[I2·R32/△T21]當(dāng)加熱電流不變,通過測出流體的溫差△T21計算流體的質(zhì)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(jié)構(gòu)是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)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(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(yīng)流體流量。

現(xiàn)從傳熱學(xué)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(dǎo)和對流進行。

當(dāng)流體流速為零,即當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時,表面附近的流線場及主要由此產(chǎn)生的溫度場相對于熱源呈對稱分布。由于結(jié)構(gòu)上的對稱性,通過基片熱傳導(dǎo)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(dāng)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(shù)的不同,基片表面附近的流線場及相應(yīng)的溫度場相對于中心熱源的分布發(fā)生變化,導(dǎo)致傾向性的不對稱分布。根據(jù)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(shù)大于S2是換熱系數(shù),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(yīng)改變符號利用熱平衡方程可以計算出因?qū)α饕鸬男酒砻娴臏囟仍俜植?獲得溫度差與流速的關(guān)系式。

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