热式气体质量流量计原理

   热式质量流量计是根据介质热传递原理制成的一种流量仪表,一般用来测量气体的质量流量.根据被测物理量的不同可以有以下3种测量关系:1)利用流体流过加热管道时产生的温度场变化与流体质量流量的关系;2)利用加热流体时流体温度上升某一值所需要的能量与流体质量流量之间的关系;3)利用流体流过加热探头时带走的热量与流体质量流量的关系.热式气体流量计具有压损低,流量范围度大,高精度、高重复性和高可靠性,无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点.根据上述3种测量关系可以分成两种测量方法,一种是给流体加入必要的热量,热能随流体流动,可以通过检测相应点的热量变化来求出流量;另一种是在流动的流体中放置发热元件,其温度随流速变化,可以通过检测发热元件被冷却程度来测量流量;前者称为热量式,属于这种测量方法的仪表有早期的托马斯流量计、非接触式的边界层流量计和热分布型流量计;后者称为热导式,属于这种测量方法的仪表有热线风速仪,浸入型流量计等。

热式探头的型式

   经过几十年的发展,浸入型热式流量计探头已有很多种型式,适用于各种应用场合.最简单的探头形式就是一段直径非常微小的圆柱体金属线,安装在一个微型支架上,实验室用的热线风速仪就是这种型式.其直径一般只有2～5μm,长度只有毫米量级,电阻只有几欧姆.由于探头比较娇贵,一般只用于实验室场合,对流速变化的反应非常灵敏。用于实际管道测量空气流量的热线探头,在两个金属支架上固定一根螺旋状的热线,其结构如灯泡中的灯丝.热线一般由直径为20～50μm的铂丝或钨丝组成,长度可达几十毫米,电阻为10～20Ω.由于热线长度比较长,所以常绕成几毫米长的螺旋状线管固定在支架上。

探头电阻

  热式探头电阻的设计选取,除了直接与探头工作温度、工作电流等指标有关之外,还与探头结构及其几何尺度有关.

探头结构的散热条件对探头工作温度影响极大,如探头封装厚度等条件.即使几何尺寸、散热面积和探头体积等参数均差不多的两个热膜探头,在同样的加热电流条件下,试验发现其热性能也可有很大的差异,甚至可以是成倍的差异，所以,散热条件越好,可以选用相对大一点的探头电阻.

  散热面积越小,探头工作温度就越高.例如裸露的热线,由于它完全暴露在气流中,散热条件应该很好;但热线探头与热膜探头试验比较发现,由于热线直径非常小,散热面积比热膜陶瓷基片要小得多,而热丝的体积与热膜陶瓷基片比更加微小,所以热丝的热容量很小.热容量小和散热面积小都将导致热线探头的工作温度提高.同样的工作条件下,热丝的温度要远高于热膜温度.所以,对于热线,应该选用较小的探头电阻。

供电电源

  要使热式流量计正常工作,就必须使探头温度达到一定水平,也就是要给热式探头提供一定的能量.从式(5)可知,提供的能量为W=I2HRH.对于一定几何尺度和结构的热式探头,如果其散热条件等因素也相似,则欲保持一定探头温度水平的能量也应相近.所以,如果提高探头电阻,则加热电流可以减小,但减小的幅度并不一样,探头两端电压将有所增加.对于一定的供电电源电压,探头电阻的增加将有一限值,并不能一味地用提高电阻的方法来降低电流.

对于低压供电电源,原则上应降低探头电阻,以增加加热电流的方法来维持探头能量.但探头电阻一般无法随意改变,只有有限的几种可供选择.所以,当供电电压较小时,应尽量减小的取样电阻R1的阻值,以避免出现大流量信号的饱和现象.