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熱式質(zhì)量流量計兩種工作原理比較
作者：
時(shí)間：2013-10-11
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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傳感器結構示意圖
當流體流速為零，即當流體處于靜止狀態(tài)時(shí)，表面附近的流線(xiàn)場(chǎng)及主要由此產(chǎn)生的溫度場(chǎng)相對于熱源呈對稱(chēng)分布。由于結構上的對稱(chēng)性，通過(guò)基片熱傳導進(jìn)行的熱交換相對于熱源始終是對稱(chēng)的。此時(shí)感溫芯片的鉑電阻溫度滿(mǎn)足TS1=TS2，即溫差：ΔT21=TS2-TS1=0。
當流體流動(dòng)時(shí)，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的不同，基片表面附近的流線(xiàn)場(chǎng)及相應的溫度場(chǎng)相對于中心熱源的分布發(fā)生變化，導致傾向性的不對稱(chēng)分布。根據熱邊界層理論，可知，此時(shí)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的換熱系數大于S2是換熱系數，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(guān)系式。
3 兩種方案的比較和選擇
恒溫差原理的氣體質(zhì)量流量計的最大優(yōu)點(diǎn)是比恒功率式氣體質(zhì)量流量計響應的時(shí)間快。因為恒功率式測量值從實(shí)際溫度變化獲得，測量管質(zhì)量和檢測元件質(zhì)量的熱慣性會(huì )降低響應速度；恒溫差式的溫度分布沒(méi)有變化，不受檢測元件等質(zhì)量熱慣性影響。
對于恒功率式氣體質(zhì)量流量計，它采用一個(gè)恒定的功率對鉑電阻加熱，較之恒溫差式氣體質(zhì)量流量計有如下優(yōu)點(diǎn)：
（1）恒功率式流量計的最大可測量流量較大，隨著(zhù)介質(zhì)流量的增加，被加熱的鉑熱電阻的熱量被迅速帶走。對于恒溫差式流量計，它要求對被加熱電阻的能量快速加大才能保證恒定的溫差。但是由于能量的增大受到電路本身功率的影響以及被加熱的鉑電阻最大允許電流的影響，其最大值受到限制。而恒功率型的流量測量容易實(shí)現，通常恒功率原理的流量計對空氣的最大可測量速度為488m/s，而恒溫差原理的流量計最大可測速度只能達到38m/s。
（2）恒功率流量計不容易受到臟濕介質(zhì)的影響。恒溫差流量計為了使其對溫度快速響應和保持恒定的溫差，一般鉑電阻均做得比較細，而恒功率流量計卻可以做得粗（各生產(chǎn)廠(chǎng)不一樣尺寸也不一樣）。這樣對于臟濕介質(zhì)測量時(shí)，臟濕物質(zhì)對鉑電阻可能產(chǎn)生短暫的附著(zhù)物（任何生產(chǎn)廠(chǎng)都對鉑電阻采用了拋光處理，長(cháng)期附著(zhù)物的產(chǎn)生是不大容易的）。對于較細的鉑電阻，其附著(zhù)物對加熱鉑電阻的散熱會(huì )產(chǎn)生較大的影響，嚴重時(shí)使其測量精度大大降低。恒功率對臟濕介質(zhì)的測量會(huì )好很多。
（3）恒溫差式流量計不對溫度的變化進(jìn)行補償，恒功率流量計卻能對溫度變化的全范圍內進(jìn)行自動(dòng)補償。眾所周知，熱流量和平衡常數是受溫度的變化而變化的，一般而言只在30℃的范圍內為常數，當測量的氣體溫度范圍超過(guò)這一數值時(shí)，氣體的熱流量系數和平衡常數均會(huì )發(fā)生變化。受電路設計的影響，目前市場(chǎng)上所有的恒溫差流量計均沒(méi)有對溫度進(jìn)行補償，而FCI公司采用恒功率方式的流量計均能對全溫度變化范圍內的熱流量系數和平衡常數進(jìn)行自動(dòng)補償。而介質(zhì)的溫度變化范圍受氣候或別的原因的影響是很難保持恒定的。
（4）恒功率與恒溫差在耐高溫方面有著(zhù)顯著(zhù)的差異。目前而言，恒功率的最高耐溫可以做到454℃，而恒溫差的流量計一般都在260℃以?xún)?，這對于測量過(guò)熱蒸汽而言，其適應性有很大的差別。
4 結語(yǔ)
從上述幾個(gè)方面的比較可看出，恒功率熱式氣體質(zhì)量計比恒溫差熱式氣體質(zhì)量流量計有著(zhù)顯著(zhù)的優(yōu)越性。在現實(shí)生產(chǎn)中，恒溫差式響應速度快，容易實(shí)現，所以目前大多數產(chǎn)品均采用該原理。但恒功率式質(zhì)量流量計與之相比，有著(zhù)非常明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為人們進(jìn)一步研究和發(fā)展方向。
參考文獻
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