淺析熱式氣體質(zhì)量流量計的結(jié)構(gòu)以及原理

熱式氣體質(zhì)量流量計流量傳感器是非電zui的電轉(zhuǎn)換部件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示于圖4，在一根薄壁細(xì)管上，對稱繞制四個繞組w56。重疊于W12之上，W78重疊于W34上，組成惠斯登電橋，供以恒定電流，使管子加熱，無流量時，測量管的溫度分布是對稱的一條曲線見圖5，有流量時，曲線偏離對稱，流量越大，偏離越甚。四臂繞組既是加溫元件又兼作測溫元件，電橋?qū)菣z出的直流毫伏信號(D.Cmv)與流量的大小在一定的范圍內(nèi)成線性。

無流量時，熱式氣體質(zhì)量流量計上游管段與下游管段的平均溫升對稱且均可表示為

式中:Q—每半截管由電源獲得的熱量。

A—每半截管與環(huán)境間的熱傳導(dǎo)。有流量時，氣流流經(jīng)上游段管表現(xiàn)為吸熱，氣流經(jīng)下游段時，表現(xiàn)為放熱，這種熱交換以傳導(dǎo)形式為主，由于流速緩慢和管徑較細(xì)，可以認(rèn)為管壁與被測氣體間的熱交換是充分的。因而與一定流量對應(yīng)的上下游半截管其平均溫度分別表為

和△T=T-To

將(5)式代入(4)式，則上下游管的平均溫差為:

顯然，對于特定的介質(zhì)和儀表結(jié)構(gòu)，并保持恒定加熱功率，其比熱C，zui高溫升T,傳熱系數(shù)A均為常數(shù)。

(6)式表達(dá)了儀表的基本方程，熱式氣體質(zhì)量流量計因而得名。由(6)式可知，該儀表的測檢前提是比熱C恒定，因而熱流量計僅適用于單一組份的氣體或組份比恒定的混合氣體的流量測量。電橋輸出的信號(D.Cmv )是T2m_T1m的量度，于是可以給出mv與質(zhì)量流量(或者以體積表示的流量)的校正曲線示于圖6，由曲線可知，在儀表的整個測量范圍，線性段是很寬的，4.51/hr以后偏離了線性，說明流速已偏高，氣流部份來不及與管壁進(jìn)行充分的熱交換，從管中帶出部份熱量，于是線性被破壞，對于小4管線性范圍懷要賽些。

由(6)式可知，儀表如果以質(zhì)量流量標(biāo)定，則流量將與溫度及壓力基本上無關(guān)，這是因?yàn)闅怏w的比熱在很寬的范圍與溫度及壓力近似無關(guān)。但是，氣體的質(zhì)量標(biāo)定還有很多困難，所以國外許多國家仍以體積標(biāo)定為主要方法，例如法國的U-70型與美國的LF及HF系列儀表均是如此，顯然體積法敏感于操作壓力及溫度，而且環(huán)境溫度的波動也將引起示值的變化，這種變化的大小與儀表的結(jié)構(gòu)的對稱性，特別是與測量元件的工藝?yán)@絲的配對性有關(guān)。

由(6)式可知，環(huán)境溫度To變化，K值將變化，相同流量對應(yīng)的信號值將變化，實(shí)驗(yàn)測定流量曲線隨環(huán)境溫度變化的影響見圖7。在一般情況下，環(huán)境溫度升高20 攝氏度，流量曲線下移(幾乎是平行的關(guān)系)約7一8%。因此，設(shè)計一個大熱容量的鋁制等溫體內(nèi)藏測量元件和采用溫度補(bǔ)償措施是十分必要的。等溫體的設(shè)置是減小瞬時溫度波動的影響，而溫度補(bǔ)償電路將消除緩慢的環(huán)境溫度波動的影響。

熱式氣體質(zhì)量流量計的研制工作著重是突破兩點(diǎn)，其一是尋求一個效果好，簡易可行，便于批量生產(chǎn)的環(huán)境溫度補(bǔ)償措施;其二是提高儀表對于瞬變流量的響應(yīng)速度，由于加溫和測溫元件繞于測量管的外壁，滯后時間就較大，實(shí)測低壓型(直徑3*0.1鎳管)

其時間常數(shù)為33秒;高壓型(直徑4 *0.2不銹鋼管)為55秒。對于脈動(如往復(fù)泵出口)流量的測量，儀表能給出平均流量的示值，但對于快變化的瞬時流量，儀表不能立即響應(yīng)，在自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)中過多的滯后是不允許的，將嚴(yán)重影響調(diào)節(jié)質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)測定熱式質(zhì)量流量計的純滯后時間是很短的，約為0.5一1秒，流量計對階躍流量信號的滯后表現(xiàn)為時間常數(shù)較大，呈積分式指數(shù)曲線，這使我們有可能對輸出信號進(jìn)行純電路的再處理，顯然這種處理應(yīng)該是微分形式，它起到超前作用，實(shí)際電路采用放大、閉環(huán)積分負(fù)反饋形式，合理選擇反饋元件，可使響應(yīng)時間大為縮短。