热式气体流量计原理及影响因数分析研究

　　1　热式流量计测量原理

　　1.1　工作原理

　　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.

　　利用加热流体的热量(或温度)变化测量流体的质量流量计已有很长的历史.早期的热式流量计直接将加热线圈和测温元件放入流体中与流体直接接触,是种接触式流量计,20世纪初提出的托马斯流量计是这种流量计的代表[1].由于不能解决腐蚀和磨损以及防爆等问题,使它的工业应用受很大的限制.到20世纪50年代,人们提出了一种与流体不接触的边界层流量计[2],克服了接触式流量计的缺点,但测量结果易受介质参数(如导热系数、比热容、粘度等)的影响,常用来测量较大的液体流量;到70年代,基于测量流体温度分布的热分布型流量计,由于其独特的优点和与流体非接触的性能在国内外得到了很快的发展,用来测量气体的微小流量[3];随着科技的发展,经过对流量计结构上的重新设计,在接触式流量计的基础上,人们提出了一种浸入型的热式流量计[4-9],并得到了很快的发展,热探头有热线、热膜、微型热阻桥等,可以用来测量较大管径的气体流量.

　　综上所述,目前得到商用化的热式流量计从原理上主要可以分成浸入型和热分布型两大类.而且由于浸入型的探头型式与结构、安装方式等在近年来得到了很快的发展,在气体流量测量领域的应用也越来越多.本文的目的是通过几年来对热式流量计的研究[10-13],在阐述热式流量计原理的基础上,就探头型式、安装方式、环境温度、供电电源等因数的影响作一总结.

　　1.2　数学模型

　　热式气体流量计的原理建立在热平衡原理基础上,目前主要有热线和热膜两种形式.热线的敏感元件一般为一根直径很细(约为0.002~0.05 mm)的铂丝或钨丝,热膜的敏感元件则是在陶瓷基片上沉积金属(如铂)形成的薄膜电阻.热线式和热膜式的工作原理相同,图1为热式气体流量传感器的工作原理.在气流通道中放置热线(铂丝或钨丝)RH和补偿电阻RC,在稳定的流场中形成平衡电桥,当气流通过流量传感器时,热线被冷却,热线温度下降,其电阻值随之减小,电桥失去平衡.通过集成运算放大器组成的反馈电路会自动增加供给热线的电流IH,使热线恢复到原来的温度和电阻值,从而使电桥恢复平衡.实际上,在气体流量变化时,热线电阻并不变化,而是工作在恒温方式.当它有变化的趋势时,通过运算放大器的反馈作用使供给热线的电流IH发生变化而保持探头温度(电阻)的恒定.