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热式气体质量流量计原理

文章出处:华仁仪表 发表时间:2019-01-31 12:33

热式气体质量流量计工作原理

  热式气体质量流量计的实际就是利用在流体流动时流体与固体间的热交换,通过测量热量的传递、转移和平衡来求得流体的流量。根据热式质量流量计的工作原理,其有两种测量质量流量的不同方法:恒温差法和恒功率法,两种方法各有其优缺,使用时应根据具体环境和需要而定。

  热式质量流量计可分为:恒温差法(功率消耗测量法)流量计和恒功率法(温度测量法)流量计。从热式气体质量流量计的发展历史来看,恒温差式流量计更先应用于实际工业的介质测量,这是因为恒温差式实现起来比恒功率式更加容易,所以从现在生产气体质量流量计的厂家来看,采用恒温差原理的更多一些。但是随着生产要求的不断提高,恒温差式流量计已经很难满足一些特殊生产的需要,这就使恒功率式流量计成为重点的研究方向。

热式气体质量流量计工作原理

1 恒温差法

  检测原理:恒温差法(功率消耗测量法)是加热元件的温度高于气体的温度,气体流过时带走一部分热量,保持加热元件和被测气体温度差恒定在一定的温差,控制和测量热源提供的功率,功率消耗随流量的增加而增加,由功率的消耗反映气体流量。

  在测量管路中加入两只金属铂电阻,一个铂电阻加入较小的电流(电流在4mA以下,不会引起电阻发热),用于测量被测流体温度,称为测温电阻。另一个铂电阻通入较大电流(电流一般在50mA以上),用于测量被测流体的速度,称为测速电阻。根据热扩散原理,加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。工作时测温电阻不断检测介质温度,测速电阻自加热到一个高于流体的恒定温度,流体流动时,由于散热测速电阻表面温度降低,测速电阻阻值发生变化,惠斯通电桥不平衡。通过由惠斯通电桥组成的反馈电路把温差反馈到处理器来增大加热器的电流(也可以是电压)来保持其温差为恒定。

  流体的流量与加入的电流(电压)成比例关系:流体的流量越大,为维持恒定温度差所加入的电流(电压)越大。所以可以通过实验标定出加热电流(电压)和质量流量的关系,就可以通过电流(电压)来计算出流体质量流量。

  恒温差式气体质量流量计存在问题:随着介质流量的增加,测速铂热电阻的热量被迅速带走,恒温差式流量计要求对测速铂热电阻加热的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电路本身功率的影响以及测速铂热电阻zui大允许电流的影响,其zui大可测量流量受到限制。

  
2 恒功率法

  检测原理:是以恒定功率为铂热电阻提供热量,使其加热到高于气体的温度,流体流动带走铂热电阻表面一部分热量,流量越大,温度降越大,测量随流体流量变化的温度,可以反映气体流量。有以下两种实现方式:
(1)只对一只铂电阻加热,由热扩散原理测量温差。

  原理:与恒温差式流量计的结构类似,在测量管路中同样加入两个金属铂电阻,一个为用于测量被测流体温度的测温电阻,另一个为用于测量被测流体速度的测速电阻。在加热器上加上一个恒定的功率对测速铂电阻加热,流体在静止时测速铂电阻和测温铂电阻表面温度差ΔT21=TS2-TS1zui大,随着介质的流动,两个铂电阻表面温度差减小。流体的流量越大,两只铂电阻的温差越小。铂电阻连接在惠斯通电桥中,铂电阻的温度不同使铂电阻的电阻呈现不同阻值,从而使电桥不平衡,通过检测电桥的电压差来反应流体流量。

  

3 两种方案的比较和选择

  恒温差原理的气体质量流量计的zui大优点是比恒功率式气体质量流量计响应的时间快。因为恒功率式测量值从实际温度变化获得,测量管质量和检测元件质量的热惯性会降低响应速度;恒温差式的温度分布没有变化,不受检测元件等质量热惯性影响。

对于恒功率式气体质量流量计,它采用一个恒定的功率对铂电阻加热,较之恒温差式气体质量流量计有如下优点:

  (1)恒功率式流量计的zui大可测量流量较大,随着介质流量的增加,被加热的铂热电阻的热量被迅速带走。对于恒温差式流量计,它要求对被加热电阻的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电路本身功率的影响以及被加热的铂电阻zui大允许电流的影响,其zui大值受到限制。而恒功率型的流量测量容易实现,通常恒功率原理的流量计对空气的zui大可测量速度为488m/s,而恒温差原理的流量计zui大可测速度只能达到38m/s。

  (2)恒功率流量计不容易受到脏湿介质的影响。恒温差流量计为了使其对温度快速响应和保持恒定的温差,一般铂电阻均做得比较细,而恒功率流量计却可以做得粗(各生产厂不一样尺寸也不一样)。这样对于脏湿介质测量时,脏湿物质对铂电阻可能产生短暂的附着物(任何生产厂都对铂电阻采用了抛光处理,长期附着物的产生是不大容易的)。对于较细的铂电阻,其附着物对加热铂电阻的散热会产生较大的影响,严重时使其测量精度大大降低。恒功率对脏湿介质的测量会好很多。

  (3)恒温差式流量计不对温度的变化进行补偿,恒功率流量计却能对温度变化的全范围内进行自动补偿。众所周知,热流量和平衡常数是受温度的变化而变化的,一般而言只在30℃的范围内为常数,当测量的气体温度范围超过这一数值时,气体的热流量系数和平衡常数均会发生变化。受电路设计的影响,目前市场上所有的恒温差流量计均没有对温度进行补偿,而FCI公司采用恒功率方式的流量计均能对全温度变化范围内的热流量系数和平衡常数进行自动补偿。而介质的温度变化范围受气候或别的原因的影响是很难保持恒定的。

  (4)恒功率与恒温差在耐高温方面有着显著的差异。目前而言,恒功率的zui高耐温可以做到454℃,而恒温差的流量计一般都在260℃以内,这对于测量过热蒸汽而言,其适应性有很大的差别。

  从上述几个方面的比较可看出,恒功率热式气体质量计比恒温差热式气体质量流量计有着显著的优越性。在现实生产中,恒温差式响应速度快,容易实现,所以目前大多数产品均采用该原理。

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