插入式热式气体质量流量计的研究

一、引言

气体流量的测量是工业生产过程、科学实验计量的重要参数，是能源计量的重要组成部分。它对于保证产品质量，提高生产效率，节约能源都有很重要的作用[1]。目前，测量气体流量的仪表种类繁多，但大部分都不能直接测得质量流量。而热式气体质量流量计能够直接测量质量流量[2]，而且不随温度和压力的变化而失准，不需要温度和压力补偿。它的出现为气体流量的测量带来了一场革命。国内对热式质量流量计的研究起步较晚，市场上大部分产品都是进口的，价格昂贵[3]。因而迫切需要一种设计简单、响应速度快的热式气体质量流量计来满足科学技术要求。

二、插入式热式质量流量计设计原理

插入式热式质量流量计是利用流体流过外热源加热的管道时产生的温度场变化来测量流体质量的流量计，其结构原理如图 1 所示。两圆柱形探头 S1和 S2分别置于气流中，其中探头 S1含有加热器，用来测量被气体带走热量后探头壁面的温度 Tw，另一参考探头 S2测量来流温度 T_∞。气流经过圆柱探头的流动模型如图 2 所示[4]，探头局部表面传热系数变化比较复杂，但其平均表面传热系数渐变规律却比较明显，见图 3。

邱吉尔（S.W.Churchill）与朋斯登(M.Bernstein)[5]对流体外绕圆柱体提出在整个试验范围内部都适用的准则关系式：

三、插入式传感元件

传感元件由两个插入流体管道中的圆柱形探头构成。被加热探头里面含有一个加热器，在靠近壁面附近布置一个温差热电偶并用导热系数与密度之比较大的石墨填充。参考探头内布置一个热电偶并用石墨填充。为更好的进行动态测量，所用热电偶均采用直径为 0.1mmK 型的 NiCr-NiSi。传感元件的制作会影响流量计的性能[6]，图 4（a）是加热器偏心地插入不锈钢圆柱外壳的截面图，从图 4 (b)可以看出，加热器偏心时，各个方向的石墨填充厚度不同，传热热阻也不同，改变了加热器向圆柱外壳周围的传热分布，从而影响流量计的精度。填充物质的密度和比热容越小，流量计的响应速度则越快。热电偶丝的直径越小，其时间常数也越小，越能迅速反映出测量温度的变动。热电偶布置点的不同，测量的壁面温度也不同，但这只影响流量计的标定而不会影响其精度。

四、系统热平衡分析

当流量传感器被置于流体管道中，在流态稳定时，探头与周围介质处于近似的热平衡状态，这时流体、探头、测量杆和管道组成一个传热系统，此时的系统热平衡方程为[7]

式中：P—电流对热探头的加热功率；