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zui大允許電流的影響，其zui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：
（1）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-TS1zui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zui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)：

　?。?）恒功率式流量計(jì)的zui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zui大允許電流的影響，其zui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zui大可測(cè)量速度為488m/s，而恒溫差原理的流量計(jì)zui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。

　?。?）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zui高耐溫可以做到454℃，而恒溫差的流量計(jì)一般都在260℃以內(nèi)，這對(duì)于測(cè)量過熱蒸汽而言，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。