氣體質(zhì)量流量計(jì)可以對(duì)氣體的質(zhì)量流量進(jìn)行精密測(cè)量和控制。它在多個(gè)領(lǐng)域的科研和生產(chǎn)中有著重要而廣泛的運(yùn)用;本次要介紹一種熱式質(zhì)量流量計(jì),它具有精度高,重復(fù)性好,響應(yīng)速度快,軟啟動(dòng),穩(wěn)定可靠,工作壓力范圍寬等特點(diǎn)。操作使用起來(lái)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(duì)其他流量計(jì)來(lái)說(shuō),熱式質(zhì)量流量計(jì)能勝任大流量和高溫介質(zhì)的測(cè)量工作要求。

一、恒功率法

恒功率法(溫度測(cè)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(dòng)帶走鉑熱電阻表面一部分熱量,流量越大,溫度降越大,測(cè)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(shí)現(xiàn)方法：

(1)只對(duì)一只鉑電阻加熱,由熱擴(kuò)散原理測(cè)量溫差

原理:與恒溫差式流量計(jì)的結(jié)構(gòu)類(lèi)似,在測(cè)量管路中同樣加入兩個(gè)金屬鉑電阻,一個(gè)為用于測(cè)量被測(cè)流體溫度的測(cè)溫電阻,另一個(gè)為用于測(cè)量被測(cè)流體速度的測(cè)速電阻。在加熱器上加上一個(gè)恒定的功率對(duì)測(cè)速鉑電阻加熱,流體在靜止時(shí)測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻表面溫度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質(zhì)的流動(dòng),兩個(gè)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(guò)檢測(cè)電橋的電壓差來(lái)反應(yīng)流體流量。

該恒功率式質(zhì)量流量計(jì)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為Q,測(cè)溫鉑電阻和測(cè)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(duì)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(cè)量過(guò)程中,測(cè)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(cè)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(duì)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(guò)測(cè)出流體的溫差△T21計(jì)算流體的質(zhì)量流量時(shí),忽略了測(cè)速鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會(huì)造成誤差。

2)對(duì)兩只對(duì)稱(chēng)的鉑電阻進(jìn)行加熱,由熱平衡原理計(jì)算溫度差。

傳感器的結(jié)構(gòu)是把兩個(gè)全相同的鉑電阻對(duì)稱(chēng)的固定在熱源的兩側(cè),放置在流體中。采用一個(gè)恒流源(恒壓源)對(duì)熱源加熱,流體流動(dòng)使兩個(gè)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(guò)檢測(cè)電橋的電壓來(lái)反應(yīng)流體流量。

現(xiàn)從傳熱學(xué)角度對(duì)該傳感器原理作進(jìn)一步的分析。假定流體為均勻分布的牛頓型流體,以一維測(cè)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(duì)稱(chēng)地放置兩個(gè)完全相同的溫度檢測(cè)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(guò)對(duì)流進(jìn)行,熱源與溫度檢測(cè)芯片之間的熱交換可通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流進(jìn)行。

當(dāng)流體流速為零,即當(dāng)流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí),表面附近的流線場(chǎng)及主要由此產(chǎn)生的溫度場(chǎng)相對(duì)于熱源呈對(duì)稱(chēng)分布。由于結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性,通過(guò)基片熱傳導(dǎo)進(jìn)行的熱交換相對(duì)于熱源始終是對(duì)稱(chēng)的。此時(shí)感溫芯片的鉑電阻溫度滿(mǎn)足Ts1=Ts2,即溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當(dāng)流體流動(dòng)時(shí),流體和鉑電阻之間主要為對(duì)流換熱,由于局部對(duì)流換熱系數(shù)的不同,基片表面附近的流線場(chǎng)及相應(yīng)的溫度場(chǎng)相對(duì)于中心熱源的分布發(fā)生變化,導(dǎo)致傾向性的不對(duì)稱(chēng)分布。根據(jù)熱邊界層理論,可知,此時(shí)上游溫度檢測(cè)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(hào)利用熱平衡方程可以計(jì)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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