熱式氣（qì）體質量流量計恒功率法原理（lǐ）講解（jiě）

氣體質量流量（liàng）計可以對氣體的質量流量進行精密測（cè）量和控製。它在多個（gè）領域的科研和生產（chǎn）中有著（zhe）重要而廣泛（fàn）的運用;本次要介紹一種熱式質量流量計,它（tā）具有精度高,重（chóng）複性好（hǎo）,響應速度快,軟啟動,穩定可靠,工作壓力範圍寬等特點（diǎn）。操作使用起來方便,可以任意位置安裝,配合流（liú）量顯示（shì）儀或其他流量控製顯示儀使用,相對（duì）其他流（liú）量計（jì）來說,熱式質量流（liú）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（lǜ）法(溫度測量法)是以恒定功率為鉑熱電阻提供熱量（liàng）,使其加熱到高於氣體的溫度,流體流動帶走鉑熱（rè）電阻表麵一（yī）部分熱量,流量（liàng）越大,溫度降越大,測量隨流體流量変化的溫度,可（kě）以反映氣體流量。有以下（xià）兩種（zhǒng）實現（xiàn）方法：

(1)隻對一隻鉑電阻加熱,由熱擴散（sàn）原理測量溫差

原理:與恒溫差式流量（liàng）計（jì）的結構類似,在測（cè）量管路中同樣加入（rù）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流體速度的測速電阻。在加熱器上加上（shàng）一個恒定的功率對測（cè）速鉑電阻（zǔ）加熱,流體（tǐ）在靜止時測速鉑電阻和測溫鉑電阻表麵溫度差△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（tǐ）的流量越大,兩隻鉑（bó）電阻的溫差越小。鉑電阻連接在惠斯通（tōng）電橋中,鉑電阻的溫度不同使鉑電阻的電阻呈現不同（tóng）阻值,從而（ér）使（shǐ）電橋不平衡,通過檢測電橋的電壓差來反（fǎn）應流體流量。

該恒（héng）功率（lǜ）式質量流量計存在的問題:若（ruò）流（liú）體的密度為p,流速為μ,加熱鉑電阻被（bèi）流（liú）體帶走（zǒu）的熱量（liàng）為Q,測溫鉑電阻和測速鉑電阻的溫度差為△T21,則有關係式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式（shì）中對於組分一定的流體,k1、k2、k3為常數在橫截當S的管路中,質量流量qm=p・u・S。測量過程中,測速鉑電阻被電流加熱,在熱平衡狀態下,電（diàn）流的加熱功（gōng）率與測速鉑（bó）電阻被帶（dài）走的熱量處於平衡狀態,即Q=I²·Rs2。因此質量流量qm與（yǔ）Q/△T21成一一對應的關係,可表示為:qm=f[I²·R32/△T21]當（dāng）加熱電（diàn）流不變,通過測出流體的溫差△T21計算（suàn）流體的質量流（liú）量時,忽（hū）略了測速鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會造成誤（wù）差。

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

傳感器的結構是把兩個全（quán）相（xiàng）同的鉑電阻對稱的固定在熱源的兩側,放置在流體中（zhōng）。采用一（yī）個（gè）恒流（liú）源(恒壓源)對熱源加熱,流體流（liú）動使兩個鉑電阻的溫度不同。鉑電阻連（lián）接在惠斯通電橋中,鉑電阻的（de）溫度不（bú）同使鉑（bó）電阻（zǔ）的電阻呈現不同阻值,從而（ér）使電橋不平衡,通過檢測電橋的電壓來反（fǎn）應流體流量。

現從傳熱學角度對該（gāi）傳感器原理作進一（yī）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置於傳感器基片的中心,在其兩邊對稱地放置兩（liǎng）個完全相同的溫度檢測芯片(薄膜式鉑電（diàn）阻)S1和（hé）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的熱交換可通過傳導和（hé）對流進行。

當流體流速為（wéi）零,即當流體（tǐ）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（bù）。由於結構上（shàng）的對稱性,通過基片（piàn）熱傳導進行的熱交換相對於熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的鉑電阻（zǔ）溫度滿足Ts1=Ts2,即溫差:△T21=Ts2-Ts1=0。當流體流動時（shí）,流（liú）體和鉑電阻之間主要（yào）為對流換熱,由（yóu）於局部對流換（huàn）熱係（xì）數的不同,基片（piàn）表麵附近的流線場及相應（yīng）的（de）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。根據（jù）熱邊界層理論,可知,此時上遊溫（wēn）度檢測芯（xīn）片表麵冷卻速率高於（yú）下遊（yóu）芯（xīn）片表麵（miàn）,即鉑電（diàn）阻S1的換熱係數大於S2是（shì）換（huàn）熱係（xì）數,所以Ts2Ts,溫差溫度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值隨（suí）流體流速的増大而增大。如果改變流體（tǐ）流向,△T21亦相應改變符號利（lì）用熱（rè）平衡（héng）方程可以計算出因對流引起的芯片表麵的溫度再分布（bù）,獲得（dé）溫度差與流速的關係式。

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