兩種熱式質(zhì)量流量計工作原理比較

      流量計是工業(yè)測量中重要的儀表之一。隨著(zhù)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，對流量測量的準確度和范圍的要求越來(lái)越高，流量測量技術(shù)日新月異。為了適應各種用途，各種類(lèi)型的流量計相繼問(wèn)世。目前已投入使用的流量計已超過(guò)100種，而熱式氣體質(zhì)量流量計就是這其中應用比較廣泛的一種。熱式質(zhì)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(zhì)量流量計的發(fā)展歷史來(lái)看，恒溫差式流量計更先應用于實(shí)際工業(yè)的介質(zhì)測量，這是因為恒溫差式實(shí)現起來(lái)比恒功率式更加容易，所以從現在生產(chǎn)氣體質(zhì)量流量計的廠(chǎng)家來(lái)看，采用恒溫差原理的廠(chǎng)家更多一些，有Kurx、Sirren、Brooks等。但是隨著(zhù)生產(chǎn)要求的不斷提高，恒溫差式流量計已經(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成為重點(diǎn)的研究方向。

    1 恒溫差法

    原理：恒溫差法（功率消耗測量法）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氣體溫度差恒定在一定的溫差，控制和測量熱源提供的功率，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），用于測量被測流體溫度，稱(chēng)為測溫電阻。另一個(gè)鉑電阻通入較大電流（電流一般在50mA以上），用于測量被測流體的速度，稱(chēng)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、流體的流速以及流體的性質(zhì)有關(guān)。工作時(shí)測溫電阻不斷檢測介質(zhì)溫度，測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)，由于散熱測速電阻表面溫度降低，測速電阻阻值發(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)驗標定出加熱電流（電壓）和質(zhì)量流量的關(guān)系，就可以通過(guò)電流（電壓）來(lái)計算出流體質(zhì)量流量。

    恒溫差式氣體質(zhì)量流量計存在問(wèn)題：隨著(zhù)介質(zhì)流量的增加，測速鉑熱電阻的熱量被迅速帶走，恒溫差式流量計要求對測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速鉑熱電阻最大允許電流的影響，其最大可測量流量受到限制。

    2 恒功率法

    恒功率法（溫度測量法）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)現方式：

    （1）只對一只鉑電阻加熱，由熱擴散原理測量溫差。

    原理：與恒溫差式流量計的結構類(lèi)似，在測量管路中同樣加入兩個(gè)金屬鉑電阻，一個(gè)為用于測量被測流體溫度的測溫電阻，另一個(gè)為用于測量被測流體速度的測速電阻。在加熱器上加上一個(gè)恒定的功率對測速鉑電阻加熱，流體在靜止時(shí)測速鉑電阻和測溫鉑電阻表面溫度差ΔT21=TS2-TS1最大，隨著(zhù)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不同阻值，從而使電橋不平衡，通過(guò)檢測電橋的電壓差來(lái)反應流體流量。

    該恒功率式質(zhì)量流量計存在的問(wèn)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(guān)系式：

    Q/ΔT21=k1+k2?（ρ?μ）k3

    式中對于組分一定的流體，k1、k2、k3為常數。

    在橫截當S的管路中，質(zhì)量流量qm=ρ?μ?S。測量過(guò)程中，測速鉑電阻被電流I加熱，在熱平衡狀態(tài)下，電流的加熱功率與測速鉑電阻被帶走的熱量處于平衡狀態(tài)，即Q=I2?RS2。因此質(zhì)量流量qm與Q/ΔT21成一一對應的關(guān)系，可表示為：

    qm=f〔I2?RS2/ΔT21〕

    當加熱電流I不變，通過(guò)測出流體的溫差ΔT21計算流體的質(zhì)量流量時(shí)，忽略了測速鉑電阻RS2隨溫度的變化，會(huì )造成誤差。

    （2）對兩只對稱(chēng)的鉑電阻進(jìn)行加熱，由熱平衡原理計算溫度差。

    傳感器的結構是把兩個(gè)完全相同的鉑電阻對稱(chēng)的固定在熱源的兩側，放置在流體中。采用一個(gè)恒流源（恒壓源）對熱源加熱，流體流動(dòng)使兩個(gè)鉑電阻的溫度不同。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不同阻值，從而使電橋不平衡，通過(guò)檢測電橋的電壓來(lái)反應流體流量。

    現從傳熱學(xué)角度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置于傳感器基片的中心，在其兩邊對稱(chēng)地放置兩個(gè)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(guò)對流進(jìn)行，熱源與溫度檢測芯片之間的熱交換可通過(guò)傳導和對流進(jìn)行。

    當流體流速為零，即當流體處于靜止狀態(tài)時(shí)，表面附近的流線(xiàn)場(chǎng)及主要由此產(chǎn)生的溫度場(chǎng)相對于熱源呈對稱(chēng)分布。由于結構上的對稱(chēng)性，通過(guò)基片熱傳導進(jìn)行的熱交換相對于熱源始終是對稱(chēng)的。此時(shí)感溫芯片的鉑電阻溫度滿(mǎn)足TS1=TS2，即溫差：ΔT21=TS2-TS1=0。

    當流體流動(dòng)時(shí)，流體和鉑電阻之間主要為對流換熱，由于局部對流換熱系數的不同，基片表面附近的流線(xiàn)場(chǎng)及相應的溫度場(chǎng)相對于中心熱源的分布發(fā)生變化，導致傾向性的不對稱(chēng)分布。根據熱邊界層理論，可知，此時(shí)上游溫度檢測芯片表面冷卻速率高于下游芯片表面，即鉑電阻S1的換熱系數大于S2是換熱系數，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面的溫度再分布，獲得溫度差與流速的關(guān)系式。

    3 兩種方案的比較和選擇

    恒溫差原理的氣體質(zhì)量流量計的最大優(yōu)點(diǎn)是比恒功率式氣體質(zhì)量流量計響應的時(shí)間快。因為恒功率式測量值從實(shí)際溫度變化獲得，測量管質(zhì)量和檢測元件質(zhì)量的熱慣性會(huì )降低響應速度；恒溫差式的溫度分布沒(méi)有變化，不受檢測元件等質(zhì)量熱慣性影響。

    對于恒功率式氣體質(zhì)量流量計，它采用一個(gè)恒定的功率對鉑電阻加熱，較之恒溫差式氣體質(zhì)量流量計有如下優(yōu)點(diǎn)：

    （1）恒功率式流量計的最大可測量流量較大，隨著(zhù)介質(zhì)流量的增加，被加熱的鉑熱電阻的熱量被迅速帶走。對于恒溫差式流量計，它要求對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量容易實(shí)現，通常恒功率原理的流量計對空氣的最大可測量速度為488m/s，而恒溫差原理的流量計最大可測速度只能達到38m/s。

    （2）恒功率流量計不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計為了使其對溫度快速響應和保持恒定的溫差，一般鉑電阻均做得比較細，而恒功率流量計卻可以做得粗（各生產(chǎn)廠(chǎng)不一樣尺寸也不一樣）。這樣對于臟濕介質(zhì)測量時(shí)，臟濕物質(zhì)對鉑電阻可能產(chǎn)生短暫的附著(zhù)物（任何生產(chǎn)廠(chǎng)都對鉑電阻采用了拋光處理，長(cháng)期附著(zhù)物的產(chǎn)生是不大容易的）。對于較細的鉑電阻，其附著(zhù)物對加熱鉑電阻的散熱會(huì )產(chǎn)生較大的影響，嚴重時(shí)使其測量精度大大降低。恒功率對臟濕介質(zhì)的測量會(huì )好很多。

    （3）恒溫差式流量計不對溫度的變化進(jìn)行補償，恒功率流量計卻能對溫度變化的全范圍內進(jìn)行自動(dòng)補償。眾所周知，熱流量和平衡常數是受溫度的變化而變化的，一般而言只在30℃的范圍內為常數，當測量的氣體溫度范圍超過(guò)這一數值時(shí)，氣體的熱流量系數和平衡常數均會(huì )發(fā)生變化。受電路設計的影響，目前市場(chǎng)上所有的恒溫差流量計均沒(méi)有對溫度進(jìn)行補償，而FCI公司采用恒功率方式的流量計均能對全溫度變化范圍內的熱流量系數和平衡常數進(jìn)行自動(dòng)補償。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。

    （4）恒功率與恒溫差在耐高溫方面有著(zhù)顯著(zhù)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?xún)?，這對于測量過(guò)熱蒸汽而言，其適應性有很大的差別。

    4 結語(yǔ)

    從上述幾個(gè)方面的比較可看出，恒功率熱式氣體質(zhì)量計比恒溫差熱式氣體質(zhì)量流量計有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)越性。在現實(shí)生產(chǎn)中，恒溫差式響應速度快，容易實(shí)現，所以目前大多數產(chǎn)品均采用該原理。但恒功率式質(zhì)量流量計與之相比，有著(zhù)非常明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為人們進(jìn)一步研究和發(fā)展方向。

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