熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)工作原理
2017-7-31 9:21:28??????點(diǎn)擊：
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)工作原理
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際就是利用在流體流動(dòng)時(shí)流體與固體間的熱交換，通過(guò)測(cè)量熱量的傳遞、轉(zhuǎn)移和平衡來(lái)求得流體的流量。根據(jù)熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理，其有兩種測(cè)量質(zhì)量流量的不同方法：恒溫差法和恒功率法，兩種方法各有其優(yōu)缺，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境和需要而定。
熱式質(zhì)量流量計(jì)可分為：恒溫差法（功率消耗測(cè)量法）流量計(jì)和恒功率法（溫度測(cè)量法）流量計(jì)。從熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展歷史來(lái)看，恒溫差式流量計(jì)更先應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)的介質(zhì)測(cè)量，這是因?yàn)楹銣夭钍綄?shí)現(xiàn)起來(lái)比恒功率式更加容易，所以從現(xiàn)在生產(chǎn)氣體質(zhì)量流量計(jì)的廠(chǎng)家來(lái)看，采用恒溫差原理的更多一些。但是隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，恒溫差式流量計(jì)已經(jīng)很難滿(mǎn)足一些特殊生產(chǎn)的需要，這就使恒功率式流量計(jì)成為重點(diǎn)的研究方向。
1恒溫差法
檢測(cè)原理：恒溫差法（功率消耗測(cè)量法）是加熱元件的溫度高于氣體的溫度，氣體流過(guò)時(shí)帶走一部分熱量，保持加熱元件和被測(cè)氣體溫度差恒定在一定的溫差，控制和測(cè)量熱源提供的功率，功率消耗隨流量的增加而增加，由功率的消耗反映氣體流量。
在測(cè)量管路中加入兩只金屬鉑電阻，一個(gè)鉑電阻加入較小的電流（電流在4mA以下，不會(huì)引起電阻發(fā)熱），用于測(cè)量被測(cè)流體溫度，稱(chēng)為測(cè)溫電阻。另一個(gè)鉑電阻通入較大電流（電流一般在50mA以上），用于測(cè)量被測(cè)流體的速度，稱(chēng)為測(cè)速電阻。根據(jù)熱擴(kuò)散原理，加熱物體被流體帶走的熱量與加熱物體與流體的溫差、流體的流速以及流體的性質(zhì)有關(guān)。工作時(shí)測(cè)溫電阻不斷檢測(cè)介質(zhì)溫度，測(cè)速電阻自加熱到一個(gè)高于流體的恒定溫度，流體流動(dòng)時(shí)，由于散熱測(cè)速電阻表面溫度降低，測(cè)速電阻阻值發(fā)生變化，惠斯通電橋不平衡。通過(guò)由惠斯通電橋組成的反饋電路把溫差反饋到處理器來(lái)增大加熱器的電流（也可以是電壓）來(lái)保持其溫差為恒定。
流體的流量與加入的電流（電壓）成比例關(guān)系：流體的流量越大，為維持恒定溫度差所加入的電流（電壓）越大。所以可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出加熱電流（電壓）和質(zhì)量流量的關(guān)系，就可以通過(guò)電流（電壓）來(lái)計(jì)算出流體質(zhì)量流量。
恒溫差式氣體質(zhì)量流量計(jì)存在問(wèn)題：隨著介質(zhì)流量的增加，測(cè)速鉑熱電阻的熱量被迅速帶走，恒溫差式流量計(jì)要求對(duì)測(cè)速鉑熱電阻加熱的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及測(cè)速鉑熱電阻最大允許電流的影響，其最大可測(cè)量流量受到限制。
2恒功率法
檢測(cè)原理：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)量隨流體流量變化的溫度，可以反映氣體流量。有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：
?。?）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ΔT21=TS2-TS1最大，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。
3兩種方案的比較和選擇
恒溫差原理的氣體質(zhì)量流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是比恒功率式氣體質(zhì)量流量計(jì)響應(yīng)的時(shí)間快。因?yàn)楹愎β适綔y(cè)量值從實(shí)際溫度變化獲得，測(cè)量管質(zhì)量和檢測(cè)元件質(zhì)量的熱慣性會(huì)降低響應(yīng)速度；恒溫差式的溫度分布沒(méi)有變化，不受檢測(cè)元件等質(zhì)量熱慣性影響。
對(duì)于恒功率式氣體質(zhì)量流量計(jì)，它采用一個(gè)恒定的功率對(duì)鉑電阻加熱，較之恒溫差式氣體質(zhì)量流量計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）恒功率式流量計(jì)的最大可測(cè)量流量較大，隨著介質(zhì)流量的增加，被加熱的鉑熱電阻的熱量被迅速帶走。對(duì)于恒溫差式流量計(jì)，它要求對(duì)被加熱電阻的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及被加熱的鉑電阻最大允許電流的影響，其最大值受到限制。而恒功率型的流量測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)，通常恒功率原理的流量計(jì)對(duì)空氣的最大可測(cè)量速度為488m/s，而恒溫差原理的流量計(jì)最大可測(cè)速度只能達(dá)到38m/s。
?。?）恒功率流量計(jì)不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計(jì)為了使其對(duì)溫度快速響應(yīng)和保持恒定的溫差，一般鉑電阻均做得比較細(xì)，而恒功率流量計(jì)卻可以做得粗（各生產(chǎn)廠(chǎng)不一樣尺寸也不一樣）。這樣對(duì)于臟濕介質(zhì)測(cè)量時(shí)，臟濕物質(zhì)對(duì)鉑電阻可能產(chǎn)生短暫的附著物（任何生產(chǎn)廠(chǎng)都對(duì)鉑電阻采用了拋光處理，長(zhǎng)期附著物的產(chǎn)生是不大容易的）。對(duì)于較細(xì)的鉑電阻，其附著物對(duì)加熱鉑電阻的散熱會(huì)產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)使其測(cè)量精度大大降低。恒功率對(duì)臟濕介質(zhì)的測(cè)量會(huì)好很多。
（3）恒溫差式流量計(jì)不對(duì)溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，恒功率流量計(jì)卻能對(duì)溫度變化的全范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。眾所周知，熱流量和平衡常數(shù)是受溫度的變化而變化的，一般而言只在30℃的范圍內(nèi)為常數(shù)，當(dāng)測(cè)量的氣體溫度范圍超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會(huì)發(fā)生變化。受電路設(shè)計(jì)的影響，目前市場(chǎng)上所有的恒溫差流量計(jì)均沒(méi)有對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，而FCI公司采用恒功率方式的流量計(jì)均能對(duì)全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。而介質(zhì)的溫度變化范圍受氣候或別的原因的影響是很難保持恒定的。
?。?）恒功率與恒溫差在耐高溫方面有著顯著的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫可以做到550℃，而恒溫差的流量計(jì)一般都在260℃以?xún)?nèi)，這對(duì)于測(cè)量過(guò)熱蒸汽而言，其適應(yīng)性有很大的差別。
從上述幾個(gè)方面的比較可看出，恒功率熱式氣體質(zhì)量計(jì)比恒溫差熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)有著顯著的優(yōu)越性。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，恒溫差式響應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)，所以目前大多數(shù)產(chǎn)品均采用該原理。
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的實(shí)際就是利用在流體流動(dòng)時(shí)流體與固體間的熱交換，通過(guò)測(cè)量熱量的傳遞、轉(zhuǎn)移和平衡來(lái)求得流體的流量。根據(jù)熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作原理，其有兩種測(cè)量質(zhì)量流量的不同方法：恒溫差法和恒功率法，兩種方法各有其優(yōu)缺，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體環(huán)境和需要而定。
熱式質(zhì)量流量計(jì)可分為：恒溫差法（功率消耗測(cè)量法）流量計(jì)和恒功率法（溫度測(cè)量法）流量計(jì)。從熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的發(fā)展歷史來(lái)看，恒溫差式流量計(jì)更先應(yīng)用于實(shí)際工業(yè)的介質(zhì)測(cè)量，這是因?yàn)楹銣夭钍綄?shí)現(xiàn)起來(lái)比恒功率式更加容易，所以從現(xiàn)在生產(chǎn)氣體質(zhì)量流量計(jì)的廠(chǎng)家來(lái)看，采用恒溫差原理的更多一些。但是隨著生產(chǎn)要求的不斷提高，恒溫差式流量計(jì)已經(jīng)很難滿(mǎn)足一些特殊生產(chǎn)的需要，這就使恒功率式流量計(jì)成為重點(diǎn)的研究方向。
1恒溫差法
檢測(cè)原理：恒溫差法（功率消耗測(cè)量法）是加熱元件的溫度高于氣體的溫度，氣體流過(guò)時(shí)帶走一部分熱量，保持加熱元件和被測(cè)氣體溫度差恒定在一定的溫差，控制和測(cè)量熱源提供的功率，功率消耗隨流量的增加而增加，由功率的消耗反映氣體流量。
在測(cè)量管路中加入兩只金屬鉑電阻，一個(gè)鉑電阻加入較小的電流（電流在4mA以下，不會(huì)引起電阻發(fā)熱），用于測(cè)量被測(cè)流體溫度，稱(chēng)為測(cè)溫電阻。另一個(gè)鉑電阻通入較大電流（電流一般在50mA以上），用于測(cè)量被測(cè)流體的速度，稱(chēng)為測(cè)速電阻。根據(jù)熱擴(kuò)散原理，加熱物體被流體帶走的熱量與加熱物體與流體的溫差、流體的流速以及流體的性質(zhì)有關(guān)。工作時(shí)測(cè)溫電阻不斷檢測(cè)介質(zhì)溫度，測(cè)速電阻自加熱到一個(gè)高于流體的恒定溫度，流體流動(dòng)時(shí)，由于散熱測(cè)速電阻表面溫度降低，測(cè)速電阻阻值發(fā)生變化，惠斯通電橋不平衡。通過(guò)由惠斯通電橋組成的反饋電路把溫差反饋到處理器來(lái)增大加熱器的電流（也可以是電壓）來(lái)保持其溫差為恒定。
流體的流量與加入的電流（電壓）成比例關(guān)系：流體的流量越大，為維持恒定溫度差所加入的電流（電壓）越大。所以可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出加熱電流（電壓）和質(zhì)量流量的關(guān)系，就可以通過(guò)電流（電壓）來(lái)計(jì)算出流體質(zhì)量流量。
恒溫差式氣體質(zhì)量流量計(jì)存在問(wèn)題：隨著介質(zhì)流量的增加，測(cè)速鉑熱電阻的熱量被迅速帶走，恒溫差式流量計(jì)要求對(duì)測(cè)速鉑熱電阻加熱的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及測(cè)速鉑熱電阻最大允許電流的影響，其最大可測(cè)量流量受到限制。
2恒功率法
檢測(cè)原理：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)量隨流體流量變化的溫度，可以反映氣體流量。有以下兩種實(shí)現(xiàn)方式：
?。?）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ΔT21=TS2-TS1最大，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。
3兩種方案的比較和選擇
恒溫差原理的氣體質(zhì)量流量計(jì)的最大優(yōu)點(diǎn)是比恒功率式氣體質(zhì)量流量計(jì)響應(yīng)的時(shí)間快。因?yàn)楹愎β适綔y(cè)量值從實(shí)際溫度變化獲得，測(cè)量管質(zhì)量和檢測(cè)元件質(zhì)量的熱慣性會(huì)降低響應(yīng)速度；恒溫差式的溫度分布沒(méi)有變化，不受檢測(cè)元件等質(zhì)量熱慣性影響。
對(duì)于恒功率式氣體質(zhì)量流量計(jì)，它采用一個(gè)恒定的功率對(duì)鉑電阻加熱，較之恒溫差式氣體質(zhì)量流量計(jì)有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）恒功率式流量計(jì)的最大可測(cè)量流量較大，隨著介質(zhì)流量的增加，被加熱的鉑熱電阻的熱量被迅速帶走。對(duì)于恒溫差式流量計(jì)，它要求對(duì)被加熱電阻的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及被加熱的鉑電阻最大允許電流的影響，其最大值受到限制。而恒功率型的流量測(cè)量容易實(shí)現(xiàn)，通常恒功率原理的流量計(jì)對(duì)空氣的最大可測(cè)量速度為488m/s，而恒溫差原理的流量計(jì)最大可測(cè)速度只能達(dá)到38m/s。
?。?）恒功率流量計(jì)不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計(jì)為了使其對(duì)溫度快速響應(yīng)和保持恒定的溫差，一般鉑電阻均做得比較細(xì)，而恒功率流量計(jì)卻可以做得粗（各生產(chǎn)廠(chǎng)不一樣尺寸也不一樣）。這樣對(duì)于臟濕介質(zhì)測(cè)量時(shí)，臟濕物質(zhì)對(duì)鉑電阻可能產(chǎn)生短暫的附著物（任何生產(chǎn)廠(chǎng)都對(duì)鉑電阻采用了拋光處理，長(zhǎng)期附著物的產(chǎn)生是不大容易的）。對(duì)于較細(xì)的鉑電阻，其附著物對(duì)加熱鉑電阻的散熱會(huì)產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時(shí)使其測(cè)量精度大大降低。恒功率對(duì)臟濕介質(zhì)的測(cè)量會(huì)好很多。
（3）恒溫差式流量計(jì)不對(duì)溫度的變化進(jìn)行補(bǔ)償，恒功率流量計(jì)卻能對(duì)溫度變化的全范圍內(nèi)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。眾所周知，熱流量和平衡常數(shù)是受溫度的變化而變化的，一般而言只在30℃的范圍內(nèi)為常數(shù)，當(dāng)測(cè)量的氣體溫度范圍超過(guò)這一數(shù)值時(shí)，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會(huì)發(fā)生變化。受電路設(shè)計(jì)的影響，目前市場(chǎng)上所有的恒溫差流量計(jì)均沒(méi)有對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，而FCI公司采用恒功率方式的流量計(jì)均能對(duì)全溫度變化范圍內(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。而介質(zhì)的溫度變化范圍受氣候或別的原因的影響是很難保持恒定的。
?。?）恒功率與恒溫差在耐高溫方面有著顯著的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫可以做到550℃，而恒溫差的流量計(jì)一般都在260℃以?xún)?nèi)，這對(duì)于測(cè)量過(guò)熱蒸汽而言，其適應(yīng)性有很大的差別。
從上述幾個(gè)方面的比較可看出，恒功率熱式氣體質(zhì)量計(jì)比恒溫差熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)有著顯著的優(yōu)越性。在現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，恒溫差式響應(yīng)速度快，容易實(shí)現(xiàn)，所以目前大多數(shù)產(chǎn)品均采用該原理。
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