熱（rè）式氣體質量流量計恒功率法原理講解（jiě）

氣體（tǐ）質量流量（liàng）計可以對氣體的質量流量進行精密測量和控製（zhì）。它在多個領域的科研和生產中有著重要而廣泛的運（yùn）用;本次要介紹一種熱式質量流量計,它具有（yǒu）精度高,重複性好（hǎo）,響應（yīng）速度快,軟啟動,穩定可（kě）靠,工作壓力範圍（wéi）寬等特點。操作使用起（qǐ）來（lái）方便,可以任意位置安（ān）裝,配合流（liú）量顯示儀或其他（tā）流量控製顯示儀使用,相對其他流量計來說,熱式質量（liàng）流量計能勝任大（dà）流量和高溫介質的測量工（gōng）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,使其加熱到高於氣（qì）體（tǐ）的溫度,流體流動帶（dài）走鉑熱電阻表麵一部分熱量,流量越大,溫度降越大（dà）,測量隨流體（tǐ）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)隻對一隻鉑電阻加熱,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,一個為用於測量被測流體溫度的測溫（wēn）電阻,另一個為用於測量被測流（liú）體速度的測速電（diàn）阻（zǔ）。在加熱器上加上一個恒定的（de）功率對測速（sù）鉑電阻加熱,流體在靜止時測速鉑電（diàn）阻和測溫鉑（bó）電阻表麵溫度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的（de）流動,兩個鉑電阻表麵溫度差減小。流體的流量越大,兩隻鉑電阻的溫差越小。鉑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（zǔ）呈現不同阻值,從而使電橋不平衡（héng）,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（jì）存在的問題:若流體的密度為p,流速為μ,加熱（rè）鉑電阻被流體帶走的熱（rè）量為Q,測溫鉑電阻和測（cè）速鉑電阻的溫度差（chà）為△T21,則有關係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中對於組分一定的流體,k1、k2、k3為（wéi）常數在（zài）橫截當S的管（guǎn）路中,質量流量qm=p・u・S。測量過程中,測速鉑（bó）電阻被電（diàn）流加熱,在熱平衡狀態下,電流的加熱功率與（yǔ）測速（sù）鉑電阻被帶走的（de）熱（rè）量處於平衡狀態,即（jí）Q=I²·Rs2。因此質量流（liú）量（liàng）qm與Q/△T21成一一對應的關係,可表示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加（jiā）熱電流不（bú）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（suí）溫度的變化,會造成誤差。

2)對兩隻對稱的鉑電阻進行加熱,由熱（rè）平衡原理計算（suàn）溫度差。

傳感器的結構是把兩個全相同的（de）鉑電阻（zǔ）對稱的固定在熱源的兩側,放置在（zài）流體中。采用一（yī）個恒（héng）流源(恒壓（yā）源)對熱源加熱（rè）,流（liú）體流動使（shǐ）兩個鉑電阻的溫度不同。鉑電阻連（lián）接在（zài）惠（huì）斯通電橋中,鉑電阻（zǔ）的溫度不同使鉑電阻的電（diàn）阻呈現不（bú）同阻值,從而使電橋（qiáo）不平衡,通過（guò）檢測（cè）電（diàn）橋的電壓來反應（yīng）流（liú）體流量。

現從（cóng）傳熱（rè）學角度對該傳感器原理（lǐ）作進一步的（de）分（fèn）析。假定流體為均勻（yún）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,在其兩邊對稱地放置兩個完全相同的溫度（dù）檢測芯片(薄膜式鉑電阻)S1和S2傳感器（qì）與流體之間的熱交換主要通過對流進行（háng）,熱源與溫度檢測芯片之間的熱交換（huàn）可通（tōng）過傳導和對流進（jìn）行。

當流體流速為零,即（jí）當流體處於靜止狀態時,表麵（miàn）附近的流線場及主要由此（cǐ）產生的（de）溫度場相對於熱源呈對稱分布（bù）。由於結構上的對稱性,通過基片熱傳導進行的熱交換相對於熱源始終是對（duì）稱的。此時（shí）感溫芯片的鉑（bó）電阻溫度滿足Ts1=Ts2,即溫差（chà）:△T21=Ts2-Ts1=0。當流體流動（dòng）時,流體和鉑電阻之間主（zhǔ）要為對流換熱,由於局部對流換熱係數的不同,基片表麵附近的流線場及相應的溫度場相對於中（zhōng）心熱源的分布發生（shēng）變化,導致傾向（xiàng）性的不對稱分布。根據熱邊界層理論（lùn）,可知,此時上遊溫度檢測芯片表麵冷卻速率高於下遊芯片（piàn）表麵,即鉑電阻S1的換（huàn）熱（rè）係數大於S2是換熱係數,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（biàn）流體流向,△T21亦相應改變符號利用熱平衡方程可以計算（suàn）出因對流引（yǐn）起的芯片表麵的溫度再分布,獲（huò）得溫度差與流速的關係式。

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