熱式氣體質（zhì）量流（liú）量計恒功率法原理講（jiǎng）解

氣體質量（liàng）流量計可以對氣體的質量流量（liàng）進行精密測量和控製。它在（zài）多（duō）個領域的科研和生產中有著（zhe）重要（yào）而廣泛的運用;本次要介紹一種熱式（shì）質量流量（liàng）計,它具有精度高,重複性好,響應（yīng）速度快,軟啟動,穩定可靠,工（gōng）作壓力範圍寬等特點。操（cāo）作使（shǐ）用起來方（fāng）便,可（kě）以任意位置安裝,配合流量顯示儀或其他流量控製（zhì）顯示儀使用,相（xiàng）對其他流量計來說,熱式質量流量計能（néng）勝任大（dà）流量和高溫介質（zhì）的測量工作要（yào）求（qiú）。

一、恒功率法

恒功（gōng）率法(溫度測量法)是以恒定功（gōng）率（lǜ）為鉑熱電阻提供熱量,使其加（jiā）熱（rè）到（dào）高於氣體的（de）溫度,流體流動（dòng）帶走鉑熱電阻表麵一部分熱量,流量（liàng）越大,溫度降越大,測量隨流體流量変化的溫度,可以反映氣體流量。有以下兩種實現方法：

(1)隻對一隻鉑電阻加熱,由熱擴散原理測（cè）量溫差

原理（lǐ）:與恒溫差式流（liú）量計的結構類似（sì）,在測量管路中同樣加入兩個金屬鉑電阻,一個為（wéi）用於（yú）測量被（bèi）測流體（tǐ）溫度的測溫電阻,另一個（gè）為用於測量被測流體速度的測速（sù）電阻。在加熱器上加上一個恒定（dìng）的（de）功率對測速鉑電阻加（jiā）熱（rè）,流體在靜止（zhǐ）時測速鉑電阻和測溫鉑電阻表麵溫度（dù）差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,隨著介質的流動,兩個鉑（bó）電阻表麵（miàn）溫度（dù）差（chà）減小。流體的流量越大,兩隻鉑電（diàn）阻的溫差越小。鉑電阻連接在（zài）惠斯（sī）通（tōng）電橋中,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（qiáo）不平衡,通過檢測電橋的電壓差來反應流（liú）體流量。

該恒功率式質量流量計存在的問題:若流體的（de）密度為p,流速為μ,加熱鉑電阻被流體（tǐ）帶走的熱（rè）量為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式中對於組分一定的流體,k1、k2、k3為常數在橫截（jié）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,電流的加熱功率與（yǔ）測速鉑電阻被帶走的熱量處於平衡狀（zhuàng）態,即Q=I²·Rs2。因此質量流量（liàng）qm與Q/△T21成（chéng）一一對應的關（guān）係,可表示（shì）為:qm=f[I²·R32/△T21]當加熱電流不變,通（tōng）過（guò）測出流體的溫（wēn）差△T21計算（suàn）流體的質量流量時,忽略了（le）測速鉑電阻Rs2隨溫度的變化,會造成誤差。

2)對兩隻對稱的鉑電阻進行加熱,由熱平衡原理計算溫（wēn）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（zhì）在（zài）流體中。采用一個（gè）恒流（liú）源(恒（héng）壓源)對熱源加熱,流體流動使兩個（gè）鉑電阻的溫度（dù）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電阻呈（chéng）現不同阻值（zhí）,從而（ér）使電橋不平衡,通過檢測電橋的電壓來反應流體流量。

現（xiàn）從傳熱學角度（dù）對該傳感器原理作進（jìn）一步的分析。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（duì）稱地放置（zhì）兩個完全相同的溫（wēn）度檢（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流進行,熱源與溫度檢測芯片之間的熱交換可通過傳導和對流進行。

當流體流速（sù）為零,即（jí）當流體（tǐ）處於靜止狀態時,表麵附近的流（liú）線場及主要由此產（chǎn）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（guò）基片熱傳導進行的熱交（jiāo）換相對於熱源始終（zhōng）是（shì）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（dāng）流體流動時,流體（tǐ）和鉑（bó）電阻（zǔ）之間主要為對流換熱,由於局部對流換熱係數的不同,基片（piàn）表麵附近的流線場及相應的溫度場相對於中心熱源的分布發生變化,導（dǎo）致傾向性的不對稱分布。根據熱邊界層理論（lùn）,可知,此時上遊（yóu）溫度（dù）檢測芯片表麵冷卻速率高於下遊芯片表麵,即鉑電（diàn）阻S1的換熱係數大於（yú）S2是換（huàn）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（dà）。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出因對流引起（qǐ）的芯片表麵的溫度再分布,獲得溫度差與流速的關係式。

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