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熱式質量流量計的測量原理是怎樣的?

來源:安徽省銳凌計量器制造有限公司   2024年02月29日 09:30  

    熱式質量流量計可分為:恒溫差法流量計和恒功率法流量計。

    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(xiàn)方式:

    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**,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(xiàn)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(ρμ)k3

    式中對于組分一定的流體,k1、k2、k3為常數(shù)。

    在橫截當S的管路中,質量流量qm=ρμS。

    測量過程中,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=I2RS2。因此質量流量qm與Q/ΔT21成一一對應的關系,可表示為:

    qm=f〔I2RS2/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-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(xiàn)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(xiàn)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:

    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。

    當流體流速為零,即當流體處于靜止狀態(tài)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(shù)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(fā)生變化,導致傾向性的不對稱分布。

    根據(jù)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(shù)大于S2是換熱系數(shù),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。

質量流量計.png



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