兩種熱式質量流量計工作原理比較

      流量計是(shi)工(gong)業(ye)測(ce)量(liang)中(zhong)重(zhong)要(yao)的(de)儀(yi)表(biao)之(zhi)一(yi)。隨(sui)著(zhe)工(gong)業(ye)生(sheng)產(chan)的(de)發(fa)展(zhan)，對(dui)流(liu)量(liang)測(ce)量(liang)的(de)準(zhun)確(que)度(du)和(he)範(fan)圍(wei)的(de)要(yao)求(qiu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，流(liu)量(liang)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)日(ri)新(xin)月(yue)異(yi)。為(wei)了(le)適(shi)應(ying)各(ge)種(zhong)用(yong)途(tu)
，各(ge)種(zhong)類(lei)型(xing)的(de)流(liu)量(liang)計(ji)相(xiang)繼(ji)問(wen)世(shi)。目(mu)前(qian)已(yi)投(tou)入(ru)使(shi)用(yong)的(de)流(liu)量(liang)計(ji)已(yi)超(chao)過(guo)100種，而熱式氣體質量流量計就是這其中應用比較廣泛的一種。熱式質量流量計可分為：恒溫差法（功率消耗測量法）流量計和恒功率法（溫度測量法）流量計。從熱式氣體質量流量計的(de)發(fa)展(zhan)曆(li)史(shi)來(lai)看(kan)，恒(heng)溫(wen)差(cha)式(shi)流(liu)量(liang)計(ji)更(geng)先(xian)應(ying)用(yong)於(yu)實(shi)際(ji)工(gong)業(ye)的(de)介(jie)質(zhi)測(ce)量(liang)，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)恒(heng)溫(wen)差(cha)式(shi)實(shi)現(xian)起(qi)來(lai)比(bi)恒(heng)功(gong)率(lv)式(shi)更(geng)加(jia)容(rong)易(yi)，所(suo)以(yi)從(cong)現(xian)在(zai)生(sheng)產(chan)氣(qi)體(ti)質(zhi)量(liang)流(liu)量(liang)計(ji)的(de)廠(chang)家(jia)來(lai)看(kan)，采(cai)用(yong)恒(heng)溫(wen)差(cha)原(yuan)理(li)的(de)廠(chang)家(jia)更(geng)多(duo)一(yi)些(xie)，有(you)Kurx

、Sirren
、Brooks等。但是隨著生產要求的不斷提高
，恒溫差式流量計已經很難滿足一些特殊生產的需要，這就使恒功率式流量計成為重點的研究方向。

    1 恒溫差法

    原理：恒溫差法（功率消耗測量法）shijiareyuanjiandewendugaoyuqitidewendu，qitiliuguoshidaizouyibufenreliang，baochijiareyuanjianhebeiceqitiwenduchahengdingzaiyidingdewencha，kongzhiheceliangreyuantigongdegonglv，gonglvxiaohaosuiliuliangdezengjiaerzengjia，yougonglvdexiaohaofanyingqitiliuliang。

    在測量管路中加入兩隻金屬鉑電阻，一個鉑電阻加入較小的電流（電流在4mA以下，不會引起電阻發熱），用於測量被測流體溫度，稱為測溫電阻。另一個鉑電阻通入較大電流（電流一般在50mA以上）
，用於測量被測流體的速度，稱為測速電阻。根據熱擴散原理
，加熱物體被流體帶走的熱量與加熱物體與流體的溫差、liutideliusuyijiliutidexingzhiyouguan。gongzuoshicewendianzubuduanjiancejiezhiwendu，cesudianzuzijiaredaoyigegaoyuliutidehengdingwendu，liutiliudongshi，youyusanrecesudianzubiaomianwendujiangdi
，cesudianzuzuzhifashengbianhua，huisitongdianqiaobupingheng。tongguoyouhuisitongdianqiaozuchengdefankuidianlubawenchafankuidaochuliqilaizengdajiareqidedianliu（也可以是電壓）來保持其溫差為恒定。

    流體的流量與加入的電流（電壓）成比例關係：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。所以可以通過實驗標定出加熱電流（電壓）和質量流量的關係
，就可以通過電流（電壓）來計算出流體質量流量。

    恒溫差式氣體質量流量計存在問題：suizhejiezhiliuliangdezengjia

，cesuboredianzudereliangbeixunsudaizou，hengwenchashiliuliangjiyaoqiuduicesuboredianzujiaredenengliangkuaisujiadacainengbaozhenghengdingdewencha。danshiyouyunengliangdezengdashoudaodianlubenshengonglvdeyingxiangyijicesuboredianzuzuidayunxudianliudeyingxiang

，qizuidakeceliangliuliangshoudaoxianzhi。

    2 恒功率法

    恒功率法（溫度測量法）是shi以yi恒heng定ding功gong率lv為wei鉑bo熱re電dian阻zu提ti供gong熱re量liang，使shi其qi加jia熱re到dao高gao於yu氣qi體ti的de溫wen度du，流liu體ti流liu動dong帶dai走zou鉑bo熱re電dian阻zu表biao麵mian一yi部bu分fen熱re量liang，流liu量liang越yue大da，溫wen度du降jiang越yue大da
，測ce量liang隨sui流liu體ti流liu量liang變bian化hua的de溫wen度du，可ke以yi反fan映ying氣qi體ti流liu量liang。有you以yi下xia兩liang種zhong實shi現xian方fang式shi：

    （1）隻對一隻鉑電阻加熱，由熱擴散原理測量溫差。

    原理：與yu恒heng溫wen差cha式shi流liu量liang計ji的de結jie構gou類lei似si
，在zai測ce量liang管guan路lu中zhong同tong樣yang加jia入ru兩liang個ge金jin屬shu鉑bo電dian阻zu，一yi個ge為wei用yong於yu測ce量liang被bei測ce流liu體ti溫wen度du的de測ce溫wen電dian阻zu，另ling一yi個ge為wei用yong於yu測ce量liang被bei測ce流liu體ti速su度du的de測ce速su電dian阻zu。在zai加jia熱re器qi上shang加jia上shang一yi個ge恒heng定ding的de功gong率lv對dui測ce速su鉑bo電dian阻zu加jia熱re，流liu體ti在zai靜jing止zhi時shi測ce速su鉑bo電dian阻zu和he測ce溫wen鉑bo電dian阻zu表biao麵mian溫wen度du差chaΔT21=TS2-TS1最(zui)大(da)，隨(sui)著(zhe)介(jie)質(zhi)的(de)流(liu)動(dong)，兩(liang)個(ge)鉑(bo)電(dian)阻(zu)表(biao)麵(mian)溫(wen)度(du)差(cha)減(jian)小(xiao)。流(liu)體(ti)的(de)流(liu)量(liang)越(yue)大(da)，兩(liang)隻(zhi)鉑(bo)電(dian)阻(zu)的(de)溫(wen)差(cha)越(yue)小(xiao)。鉑(bo)電(dian)阻(zu)連(lian)接(jie)在(zai)惠(hui)斯(si)通(tong)電(dian)橋(qiao)中(zhong)，鉑(bo)電(dian)阻(zu)的(de)溫(wen)度(du)不(bu)同(tong)使(shi)鉑(bo)電(dian)阻(zu)的(de)電(dian)阻(zu)呈(cheng)現(xian)不(bu)同(tong)阻(zu)值(zhi)

，從(cong)而(er)使(shi)電(dian)橋(qiao)不(bu)平(ping)衡(heng)，通(tong)過(guo)檢(jian)測(ce)電(dian)橋(qiao)的(de)電(dian)壓(ya)差(cha)來(lai)反(fan)應(ying)流(liu)體(ti)流(liu)量(liang)。

    該恒功率式質量流量計存在的問題：若流體的密度為ρ
，流速為μ，加熱鉑電阻被流體帶走的熱量為Q，測溫鉑電阻和測速鉑電阻的溫度差為△T21，則有關係式：

    Q/ΔT21=k1+k2•（ρ•μ）k3

    式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=ρ•μ•S。測量過程中，測速鉑電阻被電流I加熱
，在熱平衡狀態下，電流的加熱功率與測速鉑電阻被帶走的熱量處於平衡狀態

，即Q=I2•RS2。因此質量流量qm與Q/ΔT21成一一對應的關係，可表示為：

    qm=f〔I2•RS2/ΔT21〕

    當加熱電流I不變，通過測出流體的溫差ΔT21計算流體的質量流量時，忽略了測速鉑電阻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度差。

    傳感器的結構是把兩個完全相同的鉑電阻對稱的固定在熱源的兩側
，放置在流體中。采用一個恒流源（恒壓源）duireyuanjiare，liutiliudongshilianggebodianzudewendubutong。bodianzulianjiezaihuisitongdianqiaozhong，bodianzudewendubutongshibodianzudedianzuchengxianbutongzuzhi，congershidianqiaobupingheng，tongguojiancedianqiaodedianyalaifanyingliutiliuliang。

    現從傳熱學角度對該傳感器原理作進一步的分析。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，在其兩邊對稱地放置兩個完全相同的溫度檢測芯片（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。

    dangliutiliusuweiling

，jidangliutichuyujingzhizhuangtaishi，biaomianfujindeliuxianchangjizhuyaoyoucichanshengdewenduchangxiangduiyureyuanchengduichengfenbu。youyujiegoushangdeduichengxing，tongguojipianrechuandaojinxingderejiaohuanxiangduiyureyuanshizhongshiduichengde。cishiganwenxinpiandebodianzuwendumanzuTS1=TS2，即溫差：ΔT21=TS2-TS1=0。

    當(dang)流(liu)體(ti)流(liu)動(dong)時(shi)，流(liu)體(ti)和(he)鉑(bo)電(dian)阻(zu)之(zhi)間(jian)主(zhu)要(yao)為(wei)對(dui)流(liu)換(huan)熱(re)，由(you)於(yu)局(ju)部(bu)對(dui)流(liu)換(huan)熱(re)係(xi)數(shu)的(de)不(bu)同(tong)，基(ji)片(pian)表(biao)麵(mian)附(fu)近(jin)的(de)流(liu)線(xian)場(chang)及(ji)相(xiang)應(ying)的(de)溫(wen)度(du)場(chang)相(xiang)對(dui)於(yu)中(zhong)心(xin)熱(re)源(yuan)的(de)分(fen)布(bu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，導(dao)致(zhi)傾(qing)向(xiang)性(xing)的(de)不(bu)對(dui)稱(cheng)分(fen)布(bu)。根(gen)據(ju)熱(re)邊(bian)界(jie)層(ceng)理(li)論(lun)，可(ke)知(zhi)
，此(ci)時(shi)上(shang)遊(you)溫(wen)度(du)檢(jian)測(ce)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)冷(leng)卻(que)速(su)率(lv)高(gao)於(yu)下(xia)遊(you)芯(xin)片(pian)表(biao)麵(mian)，即(ji)鉑(bo)電(dian)阻(zu)S1的換熱係數大於S2是換熱係數，所以TS2＞TS1
，溫差溫度差：ΔT21=TS2-TS1＞0。

    且ΔT21的值隨流體流速的增大而增大。如果改變流體流向，ΔT21亦相應改變符號。

    利用熱平衡方程可以計算出因對流引起的芯片表麵的溫度再分布，獲得溫度差與流速的關係式。

    3 兩種方案的比較和選擇

    恒heng溫wen差cha原yuan理li的de氣qi體ti質zhi量liang流liu量liang計ji的de最zui大da優you點dian是shi比bi恒heng功gong率lv式shi氣qi體ti質zhi量liang流liu量liang計ji響xiang應ying的de時shi間jian快kuai。因yin為wei恒heng功gong率lv式shi測ce量liang值zhi從cong實shi際ji溫wen度du變bian化hua獲huo得de，測ce量liang管guan質zhi量liang和he檢jian測ce元yuan件jian質zhi量liang的de熱re慣guan性xing會hui降jiang低di響xiang應ying速su度du
；恒溫差式的溫度分布沒有變化，不受檢測元件等質量熱慣性影響。

    對於恒功率式氣體質量流量計
，它采用一個恒定的功率對鉑電阻加熱，較之恒溫差式氣體質量流量計有如下優點：

    （1）恒heng功gong率lv式shi流liu量liang計ji的de最zui大da可ke測ce量liang流liu量liang較jiao大da
，隨sui著zhe介jie質zhi流liu量liang的de增zeng加jia，被bei加jia熱re的de鉑bo熱re電dian阻zu的de熱re量liang被bei迅xun速su帶dai走zou。對dui於yu恒heng溫wen差cha式shi流liu量liang計ji

，它ta要yao求qiu對dui被bei加jia熱re電dian阻zu的de能neng量liang快kuai速su加jia大da才cai能neng保bao證zheng恒heng定ding的de溫wen差cha。但dan是shi由you於yu能neng量liang的de增zeng大da受shou到dao電dian路lu本ben身shen功gong率lv的de影ying響xiang以yi及ji被bei加jia熱re的de鉑bo電dian阻zu最zui大da允yun許xu電dian流liu的de影ying響xiang，其qi最zui大da值zhi受shou到dao限xian製zhi。而er恒heng功gong率lv型xing的de流liu量liang測ce量liang容rong易yi實shi現xian
，通tong常chang恒heng功gong率lv原yuan理li的de流liu量liang計ji對dui空kong氣qi的de最zui大da可ke測ce量liang速su度du為wei488m/s

，而恒溫差原理的流量計最大可測速度隻能達到38m/s。

    （2）恒(heng)功(gong)率(lv)流(liu)量(liang)計(ji)不(bu)容(rong)易(yi)受(shou)到(dao)髒(zang)濕(shi)介(jie)質(zhi)的(de)影(ying)響(xiang)。恒(heng)溫(wen)差(cha)流(liu)量(liang)計(ji)為(wei)了(le)使(shi)其(qi)對(dui)溫(wen)度(du)快(kuai)速(su)響(xiang)應(ying)和(he)保(bao)持(chi)恒(heng)定(ding)的(de)溫(wen)差(cha)，一(yi)般(ban)鉑(bo)電(dian)阻(zu)均(jun)做(zuo)得(de)比(bi)較(jiao)細(xi)，而(er)恒(heng)功(gong)率(lv)流(liu)量(liang)計(ji)卻(que)可(ke)以(yi)做(zuo)得(de)粗(cu)（各生產廠不一樣尺寸也不一樣）。這樣對於髒濕介質測量時
，髒濕物質對鉑電阻可能產生短暫的附著物（任何生產廠都對鉑電阻采用了拋光處理，長期附著物的產生是不大容易的）。對(dui)於(yu)較(jiao)細(xi)的(de)鉑(bo)電(dian)阻(zu)，其(qi)附(fu)著(zhe)物(wu)對(dui)加(jia)熱(re)鉑(bo)電(dian)阻(zu)的(de)散(san)熱(re)會(hui)產(chan)生(sheng)較(jiao)大(da)的(de)影(ying)響(xiang)，嚴(yan)重(zhong)時(shi)使(shi)其(qi)測(ce)量(liang)精(jing)度(du)大(da)大(da)降(jiang)低(di)。恒(heng)功(gong)率(lv)對(dui)髒(zang)濕(shi)介(jie)質(zhi)的(de)測(ce)量(liang)會(hui)好(hao)很(hen)多(duo)。

    （3）恒heng溫wen差cha式shi流liu量liang計ji不bu對dui溫wen度du的de變bian化hua進jin行xing補bu償chang，恒heng功gong率lv流liu量liang計ji卻que能neng對dui溫wen度du變bian化hua的de全quan範fan圍wei內nei進jin行xing自zi動dong補bu償chang。眾zhong所suo周zhou知zhi
，熱re流liu量liang和he平ping衡heng常chang數shu是shi受shou溫wen度du的de變bian化hua而er變bian化hua的de，一yi般ban而er言yan隻zhi在zai30℃的(de)範(fan)圍(wei)內(nei)為(wei)常(chang)數(shu)
，當(dang)測(ce)量(liang)的(de)氣(qi)體(ti)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)超(chao)過(guo)這(zhe)一(yi)數(shu)值(zhi)時(shi)，氣(qi)體(ti)的(de)熱(re)流(liu)量(liang)係(xi)數(shu)和(he)平(ping)衡(heng)常(chang)數(shu)均(jun)會(hui)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)。受(shou)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)的(de)影(ying)響(xiang)，目(mu)前(qian)市(shi)場(chang)上(shang)所(suo)有(you)的(de)恒(heng)溫(wen)差(cha)流(liu)量(liang)計(ji)均(jun)沒(mei)有(you)對(dui)溫(wen)度(du)進(jin)行(xing)補(bu)償(chang)，而(er)FCIgongsicaiyonghenggonglvfangshideliuliangjijunnengduiquanwendubianhuafanweineidereliuliangxishuhepinghengchangshujinxingzidongbuchang。erjiezhidewendubianhuafanweishouqihouhuobiedeyuanyindeyingxiangshihennanbaochihengdingde。

    （4）恒功率與恒溫差在耐高溫方麵有著顯著的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫可以做到454℃
，而恒溫差的流量計一般都在260℃以內，這對於測量過熱蒸汽而言，其適應性有很大的差別。

    4 結語

    congshangshujigefangmiandebijiaokekanchu，henggonglvreshiqitizhiliangjibihengwenchareshiqitizhiliangliuliangjiyouzhexianzhudeyouyuexing。zaixianshishengchanzhong，hengwenchashixiangyingsudukuai，rongyishixian，suoyimuqiandaduoshuchanpinjuncaiyonggaiyuanli。danhenggonglvshizhiliangliuliangjiyuzhixiangbi，youzhefeichangmingxiandeyoushi
，yijingchengweirenmenjinyibuyanjiuhefazhanfangxiang。

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