热式气体质量流量计恒功率法原理讲解

气体质量流量计可以对气体的质量流量进行精密测量和控制。它在多个领域的科研和生产中有着重要而广泛的运用;本次要介绍一种热式质量流量计,它具有精度高,重复性好,响应速度快,软启动,稳定可靠,工作压力范围宽等特点。操作使用起来方便,可以任意位置安装,配合流量显示仪或其他流量控制显示仪使用,相对其他流量计来说,热式质量流量计能胜任大流量和高温介质的测量工作要求。

一、恒功率法

恒功率法(温度测量法)是以恒定功率为铂热电阻提供热量,使其加热到高于气体的温度,流体流动带走铂热电阻表面一部分热量,流量越大,温度降越大,测量随流体流量変化的温度,可以反映气体流量。有以下两种实现方法：

(1)只对一只铂电阻加热,由热扩散原理测量温差

原理:与恒温差式流量计的结构类似,在测量管路中同样加入两个金属铂电阻,一个为用于测量被测流体温度的测温电阻,另一个为用于测量被测流体速度的测速电阻。在加热器上加上一个恒定的功率对测速铂电阻加热,流体在静止时测速铂电阻和测温铂电阻表面温度差△T21=Ts2-Ts1 ZUI大,随着介质的流动,两个铂电阻表面温度差减小。流体的流量越大,两只铂电阻的温差越小。铂电阻连接在惠斯通电桥中,铂电阻的温度不同使铂电阻的电阻呈现不同阻值,从而使电桥不平衡,通过检测电桥的电压差来反应流体流量。

该恒功率式质量流量计存在的问题:若流体的密度为p,流速为μ,加热铂电阻被流体带走的热量为Q,测温铂电阻和测速铂电阻的温度差为△T21,则有关系式:Q/△T21=k1+k2(p・u)k3式中对于组分一定的流体,k1、k2、k3为常数在横截当S的管路中,质量流量qm=p・u・S。测量过程中,测速铂电阻被电流加热,在热平衡状态下,电流的加热功率与测速铂电阻被带走的热量处于平衡状态,即Q=I²·Rs2。因此质量流量qm与Q/△T21成一一对应的关系,可表示为:qm=f[I²·R32/△T21]当加热电流不变,通过测出流体的温差△T21计算流体的质量流量时,忽略了测速铂电阻Rs2随温度的变化,会造成误差。

2)对两只对称的铂电阻进行加热,由热平衡原理计算温度差。

传感器的结构是把两个全相同的铂电阻对称的固定在热源的两侧,放置在流体中。采用一个恒流源(恒压源)对热源加热,流体流动使两个铂电阻的温度不同。铂电阻连接在惠斯通电桥中,铂电阻的温度不同使铂电阻的电阻呈现不同阻值,从而使电桥不平衡,通过检测电桥的电压来反应流体流量。

现从传热学角度对该传感器原理作进一步的分析。假定流体为均匀分布的牛顿型流体,以一维测量为例:如图1所示,热源R置于传感器基片的中心,在其两边对称地放置两个完全相同的温度检测芯片(薄膜式铂电阻)S1和S2传感器与流体之间的热交换主要通过对流进行,热源与温度检测芯片之间的热交换可通过传导和对流进行。

当流体流速为零,即当流体处于静止状态时,表面附近的流线场及主要由此产生的温度场相对于热源呈对称分布。由于结构上的对称性,通过基片热传导进行的热交换相对于热源始终是对称的。此时感温芯片的铂电阻温度满足Ts1=Ts2,即温差:△T21=Ts2-Ts1=0。当流体流动时,流体和铂电阻之间主要为对流换热,由于局部对流换热系数的不同,基片表面附近的流线场及相应的温度场相对于中心热源的分布发生变化,导致倾向性的不对称分布。根据热边界层理论,可知,此时上游温度检测芯片表面冷却速率高于下游芯片表面,即铂电阻S1的换热系数大于S2是换热系数,所以Ts2Ts,温差温度差:△T21=Ts2-Ts1>0。且△T2的值随流体流速的増大而增大。如果改变流体流向,△T21亦相应改变符号利用热平衡方程可以计算出因对流引起的芯片表面的温度再分布,获得温度差与流速的关系式。

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