熱式氣體質量流量計原理
熱式質量流量計是根據介質熱傳遞原理制成的一種流量儀表,一般用來測量氣體的質量流量.根據被測物理量的不同可以有以下3種測量關系:1)利用流體流過加熱管道時產生的溫度場變化與流體質量流量的關系;2)利用加熱流體時流體溫度上升某一值所需要的能量與流體質量流量之間的關系;3)利用流體流過加熱探頭時帶走的熱量與流體質量流量的關系.熱式氣體流量計具有壓損低,流量范圍度大,高精度、高重復性和高可靠性,無可動部件以及可用于極低氣體流量監測和控制等特點.根據上述3種測量關系可以分成兩種測量方法,一種是給流體加入必要的熱量,熱能隨流體流動,可以通過檢測相應點的熱量變化來求出流量;另一種是在流動的流體中放置發熱元件,其溫度隨流速變化,可以通過檢測發熱元件被冷卻程度來測量流量;前者稱為熱量式,屬于這種測量方法的儀表有早期的托馬斯流量計、非接觸式的邊界層流量計和熱分布型流量計;后者稱為熱導式,屬于這種測量方法的儀表有熱線風速儀,浸入型流量計等。
熱式探頭的型式
經過幾十年的發展,浸入型熱式流量計探頭已有很多種型式,適用于各種應用場合.最簡單的探頭形式就是一段直徑非常微小的圓柱體金屬線,安裝在一個微型支架上,實驗室用的熱線風速儀就是這種型式.其直徑一般只有2～5μm,長度只有毫米量級,電阻只有幾歐姆.由于探頭比較嬌貴,一般只用于實驗室場合,對流速變化的反應非常靈敏。用于實際管道測量空氣流量的熱線探頭,在兩個金屬支架上固定一根螺旋狀的熱線,其結構如燈泡中的燈絲.熱線一般由直徑為20～50μm的鉑絲或鎢絲組成,長度可達幾十毫米,電阻為10～20Ω.由于熱線長度比較長,所以常繞成幾毫米長的螺旋狀線管固定在支架上。
探頭電阻
熱式探頭電阻的設計選取,除了直接與探頭工作溫度、工作電流等指標有關之外,還與探頭結構及其幾何尺度有關.
探頭結構的散熱條件對探頭工作溫度影響極大,如探頭封裝厚度等條件.即使幾何尺寸、散熱面積和探頭體積等參數均差不多的兩個熱膜探頭,在同樣的加熱電流條件下,試驗發現其熱性能也可有很大的差異,甚至可以是成倍的差異，所以,散熱條件越好,可以選用相對大一點的探頭電阻.
散熱面積越小,探頭工作溫度就越高.例如裸露的熱線,由于它完全暴露在氣流中,散熱條件應該很好;但熱線探頭與熱膜探頭試驗比較發現,由于熱線直徑非常小,散熱面積比熱膜陶瓷基片要小得多,而熱絲的體積與熱膜陶瓷基片比更加微小,所以熱絲的熱容量很小.熱容量小和散熱面積小都將導致熱線探頭的工作溫度提高.同樣的工作條件下,熱絲的溫度要遠高于熱膜溫度.所以,對于熱線,應該選用較小的探頭電阻。
供電電源
要使熱式流量計正常工作,就必須使探頭溫度達到一定水平,也就是要給熱式探頭提供一定的能量.從式(5)可知,提供的能量為W=I2HRH.對于一定幾何尺度和結構的熱式探頭,如果其散熱條件等因素也相似,則欲保持一定探頭溫度水平的能量也應相近.所以,如果提高探頭電阻,則加熱電流可以減小,但減小的幅度并不一樣,探頭兩端電壓將有所增加.對于一定的供電電源電壓,探頭電阻的增加將有一限值,并不能一味地用提高電阻的方法來降低電流.
對于低壓供電電源,原則上應降低探頭電阻,以增加加熱電流的方法來維持探頭能量.但探頭電阻一般無法隨意改變,只有有限的幾種可供選擇.所以,當供電電壓較小時,應盡量減小的取樣電阻R1的阻值,以避免出現大流量信號的飽和現象.
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