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熱式質量流量計工作原理

文章出處:未知 瀏覽次數:發表時間:2018-10-20

流量計是工業測量中重要的儀表之一。隨著工業生產的發展,對流量測量的準確度和范圍的要求越來越高,流量測量技術日新月異。為了適應各種用途,各種類型的流量計相繼問世。目前已投入使用的流量計已超過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發展歷史來看,恒溫差式流量計更先應用于實際工業的介質測量,這是因為恒溫差式實現起來比恒功率式更加容易,所以從現在生產氣體質量流量計的廠家來看,采用恒溫差原理的廠家更多一些,有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)是加熱元件的溫度高于氣體的溫度,氣體流過時帶走一部分熱量,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),用于測量被測流體溫度,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),用于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、流體的流速以及流體的性質有關。工作時測溫電阻不斷檢測介質溫度,測速電阻自加熱到一個高于流體的恒定溫度,流體流動時,由于散熱測速電阻表面溫度降低,測速電阻阻值發生變化,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增大加熱器的電流(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。所以可以通過實驗標定出加熱電流(電壓)和質量流量的關系,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:隨著介質流量的增加,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似,在測量管路中同樣加入兩個金屬鉑電阻,一個為用于測量被測流體溫度的測溫電阻,另一個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恒定的功率對測速鉑電阻加熱,流體在靜止時測速鉑電阻和測溫鉑電阻表面溫度差ΔT21=TS2-TS1最大,隨著介質的流動,兩個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,通過檢測電橋的電壓差來反應流體流量。

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于平衡狀態,即Q=I2•RS2。因此質量流量qm與Q/ΔT21成一一對應的關系,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)對兩只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)對熱源加熱,流體流動使兩個鉑電阻的溫度不同。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,通過檢測電橋的電壓來反應流體流量。

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置于傳感器基片的中心,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。

圖1 傳感器結構示意圖

當流體流速為零,即當流體處于靜止狀態時,表面附近的流線場及主要由此產生的溫度場相對于熱源呈對稱分布。由于結構上的對稱性,通過基片熱傳導進行的熱交換相對于熱源始終是對稱的。此時感溫芯片的鉑電阻溫度滿足TS1=TS2,即溫差:ΔT21=TS2-TS1=0。

當流體流動時,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場及相應的溫度場相對于中心熱源的分布發生變化,導致傾向性的不對稱分布。根據熱邊界層理論,可知,此時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系式。

3 兩種方案的比較和選擇

恒溫差原理的氣體質量流量計的最大優點是比恒功率式氣體質量流量計響應的時間快。因為恒功率式測量值從實際溫度變化獲得,測量管質量和檢測元件質量的熱慣性會降低響應速度;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。

對于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)恒功率式流量計的最大可測量流量較大,隨著介質流量的增加,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(各生產廠不一樣尺寸也不一樣)。這樣對于臟濕介質測量時,臟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)。對于較細的鉑電阻,其附著物對加熱鉑電阻的散熱會產生較大的影響,嚴重時使其測量精度大大降低。恒功率對臟濕介質的測量會好很多。

(3)恒溫差式流量計不對溫度的變化進行補償,恒功率流量計卻能對溫度變化的全范圍內進行自動補償。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這一數值時,氣體的熱流量系數和平衡常數均會發生變化。受電路設計的影響,目前市場上所有的恒溫差流量計均沒有對溫度進行補償,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行自動補償。而介質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,這對于測量過熱蒸汽而言,其適應性有很大的差別。

4 結語

從上述幾個方面的比較可看出,恒功率熱式氣體質量計比恒溫差熱式氣體質量流量計有著顯著的優越性。在現實生產中,恒溫差式響應速度快,容易實現,所以目前大多數產品均采用該原理。但恒功率式質量流量計與之相比,有著非常明顯的優勢,已經成為人們進一步研究和發展方向。

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