熱式氣（qì）體質量流（liú）量計恒功率（lǜ）法（fǎ）原理講解

氣體質量流量計可以對氣（qì）體的質量流量進行精密測量（liàng）和控製。它在多個領域的科研和生（shēng）產中有著重要而廣（guǎng）泛的運用;本次要（yào）介紹一（yī）種熱式質量流量計（jì）,它（tā）具有（yǒu）精度高,重複性好,響應速度快（kuài）,軟啟動,穩（wěn）定可靠,工作壓力（lì）範圍寬等特點。操作使用起來方便,可以任意（yì）位置安裝,配合流量顯示儀或其（qí）他流量控製顯示儀使用,相對其他流量計來說（shuō）,熱式質量流量計（jì）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(溫度測量法)是以恒定功率為鉑熱電阻提供熱量,使其加（jiā）熱（rè）到高於氣體的溫度,流體（tǐ）流動帶（dài）走鉑熱電阻表麵一部分熱量（liàng）,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（liàng）。有（yǒu）以下兩種實現方法：

(1)隻對一隻鉑電阻加熱,由熱擴（kuò）散原理測量溫差

原理:與恒溫差式流量計（jì）的結構類似,在測量管路中同樣（yàng）加入兩個金屬鉑電阻（zǔ）,一個為用於（yú）測量（liàng）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（sù）度的測速（sù）電阻。在加熱器上加上一個恒定的功率（lǜ）對測速鉑電阻加熱,流體在靜止時測速鉑電阻和（hé）測溫鉑電阻表麵（miàn）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（liú）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（de）溫度不同使鉑電阻的電（diàn）阻呈現不同阻值,從（cóng）而使電橋不平衡（héng）,通過檢（jiǎn）測電橋的（de）電壓差來反應流體流量。

該恒功率式質量流量計存在的（de）問題:若流體的密度為p,流速（sù）為μ,加熱鉑電阻被流體（tǐ）帶（dài）走（zǒu）的（de）熱量為Q,測溫鉑電阻和測速（sù）鉑電阻的溫度差為△T21,則有關（guān）係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中對於組（zǔ）分一定的流體,k1、k2、k3為常數在橫截（jié）當（dāng）S的管路（lù）中,質量流量qm=p・u・S。測量（liàng）過程中,測（cè）速（sù）鉑電阻被電流加熱,在熱平衡狀態下,電流的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（yīn）此質（zhì）量流（liú）量qm與Q/△T21成一一對應的（de）關係,可表（biǎo）示為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流（liú）不變,通過測（cè）出流體的溫差（chà）△T21計算流體的質量流量時,忽略了測速（sù）鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會（huì）造成誤差（chà）。

2)對兩隻對稱的鉑電（diàn）阻進行加（jiā）熱,由熱平衡原理計算溫度差。

傳感器的結構是把兩個全相同的鉑電阻對稱的固定在熱源的兩側,放置在（zài）流體中。采用一個恒流源(恒壓源)對熱源加熱,流體流動使兩（liǎng）個鉑電阻的溫度不同。鉑電阻連接在惠斯通電（diàn）橋（qiáo）中,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈現不同阻值,從而使電橋不（bú）平衡,通過檢測電橋的（de）電壓來反應流體（tǐ）流（liú）量。

現從（cóng）傳熱學角度對該傳感器（qì）原理作進一步的（de）分析。假定流體（tǐ）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（gǎn）器基片的中心（xīn）,在其兩邊（biān）對稱地放置兩個完全相同的溫度（dù）檢（jiǎn）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（duì）流進行,熱源與溫度檢測芯片之間（jiān）的熱交換可通過傳導和對流進行（háng）。

當流體流速為零,即當流體處（chù）於（yú）靜止狀態時,表麵附近（jìn）的流線場（chǎng）及主要由此產生的溫度場相對於熱源呈對稱分布。由於結構上的對稱性,通過基片熱傳導進行的熱交（jiāo）換相對於熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的鉑電阻溫度滿足Ts1=Ts2,即溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當流（liú）體流動時,流體和（hé）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（jī）片表麵附近（jìn）的流線場（chǎng）及相應的溫度場（chǎng）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（bù）。根據熱邊界層理論,可知,此（cǐ）時上遊溫度檢（jiǎn）測芯片表麵（miàn）冷卻速率高於（yú）下遊芯片表麵,即鉑電阻S1的換熱係數大於S2是（shì）換熱係數,所（suǒ）以Ts2Ts,溫差溫度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨流體流速（sù）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（jì）算出因對流引起的芯片表麵的（de）溫度再分布（bù）,獲得溫度差（chà）與流速的關係式。

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