熱（rè）式氣體質量流（liú）量（liàng）計恒（héng）功率法原（yuán）理講解

氣體質量流量（liàng）計可以對（duì）氣體的（de）質量流（liú）量進行精密測量和控製。它在多個領域的科研和生產中（zhōng）有著重要而廣泛的運用;本次要介紹一種（zhǒng）熱式質量流量計,它具有精度（dù）高,重複性好,響應速度快,軟啟動（dòng）,穩定可靠,工作壓力範（fàn）圍寬等特點。操作使用（yòng）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製顯示儀使用,相對（duì）其他流量（liàng）計來說,熱式質量流量計能勝任大流量和高溫介質的測量工作要求。

一、恒功率法

恒功率法(溫度測量（liàng）法)是以恒定功率為鉑熱電阻提供熱量,使其加（jiā）熱到高（gāo）於氣體的溫度,流體流動帶走鉑熱電阻表（biǎo）麵（miàn）一部分熱量,流量越大（dà）,溫度降（jiàng）越大,測量隨流體流量変化的溫度,可以反映氣體流量。有以下兩種實現方法：

(1)隻（zhī）對一隻鉑電阻加熱,由熱擴散原（yuán）理（lǐ）測量溫差

原（yuán）理:與恒溫差式流量計的（de）結構類似,在測量管路（lù）中同樣加入兩個金屬鉑電阻,一個為（wéi）用於測量被測流體溫度的測溫電阻,另一個為用於測量被測（cè）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（zǔ）表麵溫度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的流動,兩（liǎng）個鉑電阻（zǔ）表麵（miàn）溫度差減小。流體的流量越大,兩隻鉑電阻的溫差越小。鉑（bó）電阻連接在惠（huì）斯通電橋中,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈現不（bú）同阻值,從而使電橋不平衡（héng）,通過檢測電橋的電壓差（chà）來反應流體流量。

該恒功率式質量流量計存在的問題:若流體的密度為p,流速為μ,加熱鉑（bó）電阻被流（liú）體帶走（zǒu）的熱量為Q,測（cè）溫鉑電阻和測速鉑（bó）電阻的溫度差為△T21,則有關（guān）係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中（zhōng）對於組分一定的流體,k1、k2、k3為常（cháng）數在橫截當S的管路中,質量流量qm=p・u・S。測量過程中（zhōng）,測速鉑電（diàn）阻被電流加熱,在熱平衡狀態下,電流的（de）加熱功率與測速鉑電阻（zǔ）被帶走的熱量處於平衡狀態,即Q=I²·Rs2。因此質量流量（liàng）qm與Q/△T21成一一對應的關係,可表示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流（liú）不變,通過測出流（liú）體的溫差△T21計算流體的質（zhì）量流量時（shí）,忽略了（le）測速鉑電阻Rs2隨溫度的（de）變化,會造成誤差。

2)對兩隻對稱的鉑電阻進行（háng）加熱,由熱平衡原理計算溫（wēn）度差。

傳（chuán）感器的結構是把兩個全相同的鉑（bó）電阻對稱的（de）固定在熱源的兩側,放置在流體中。采用一個恒流（liú）源(恒壓源)對熱（rè）源加熱,流體流動使兩個鉑（bó）電阻的溫度不同。鉑電阻連接在惠斯通電橋中（zhōng）,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的（de）電阻呈現不同阻值,從而使電橋不平衡,通過檢測電橋的電壓來反應流體流量。

現從傳熱學角度（dù）對該傳感器原理作進一步的分析（xī）。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（suǒ）示,熱源R置於傳感器基片的中心（xīn）,在其兩邊對稱地放置兩（liǎng）個完全（quán）相同的溫度檢測芯片(薄膜式鉑（bó）電阻)S1和S2傳感（gǎn）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（guò）傳導和對流（liú）進行。

當流體（tǐ）流速為零,即當流體處於靜止狀態時,表麵附近的流線場及主要由此產生的溫度場相對於熱源呈對稱分布。由於結構上的（de）對稱性,通過基（jī）片熱傳導進行的熱交換相（xiàng）對於熱源（yuán）始終是對（duì）稱的。此時感（gǎn）溫芯片的鉑電阻溫度滿足Ts1=Ts2,即（jí）溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當流體流動時,流體和鉑電阻之間主（zhǔ）要為對（duì）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（yīng）的溫度場相對於中心熱源的分布發生變化（huà）,導致傾向性的不對稱分布。根（gēn）據熱邊界層理論,可知,此時上遊溫度（dù）檢測芯片表麵冷卻速（sù）率（lǜ）高於下遊芯片表麵,即鉑電阻（zǔ）S1的（de）換熱係數大於S2是換熱（rè）係數,所以Ts2Ts,溫差溫度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨流（liú）體流速的増大（dà）而增大。如果改變流體流向,△T21亦相應改變符號利用熱平衡方程可以計算出因對流引起的芯片表麵的溫度再分布,獲得溫度差與流（liú）速的（de）關係式（shì）。

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