熱式質(zhì)量流量計兩種工作原理比較
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傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
當(dāng)流體流動時，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(shù)的不同，基片表面附近的流線場及相應(yīng)的溫度場相對于中心熱源的分布發(fā)生變化，導(dǎo)致傾向性的不對稱分布。根據(jù)熱邊界層理論，可知，此時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(shù)大于S2是換熱系數(shù)，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(yīng)改變符號。
利用熱平衡方程可以計算出因?qū)α饕鸬男酒砻娴臏囟仍俜植迹@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)點是比恒功率式氣體質(zhì)量流量計響應(yīng)的時間快。因為恒功率式測量值從實際溫度變化獲得，測量管質(zhì)量和檢測元件質(zhì)量的熱慣性會降低響應(yīng)速度；恒溫差式的溫度分布沒有變化，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：
（1）恒功率式流量計的最大可測量流量較大，隨著介質(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現(xiàn)，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(yīng)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)廠不一樣尺寸也不一樣）。這樣對于臟濕介質(zhì)測量時，臟濕物質(zhì)對鉑電阻可能產(chǎn)生短暫的附著物（任何生產(chǎn)廠都對鉑電阻采用了拋光處理，長期附著物的產(chǎn)生是不大容易的）。對于較細的鉑電阻，其附著物對加熱鉑電阻的散熱會產(chǎn)生較大的影響，嚴(yán)重時使其測量精度大大降低。恒功率對臟濕介質(zhì)的測量會好很多。
（3）恒溫差式流量計不對溫度的變化進行補償，恒功率流量計卻能對溫度變化的全范圍內(nèi)進行自動補償。眾所周知，熱流量和平衡常數(shù)是受溫度的變化而變化的，一般而言只在30℃的范圍內(nèi)為常數(shù)，當(dāng)測量的氣體溫度范圍超過這一數(shù)值時，氣體的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)均會發(fā)生變化。受電路設(shè)計的影響，目前市場上所有的恒溫差流量計均沒有對溫度進行補償，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(nèi)的熱流量系數(shù)和平衡常數(shù)進行自動補償。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顯著的差異。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℃以內(nèi)，這對于測量過熱蒸汽而言，其適應(yīng)性有很大的差別。
4 結(jié)語
從上述幾個方面的比較可看出，恒功率熱式氣體質(zhì)量計比恒溫差熱式氣體質(zhì)量流量計有著顯著的優(yōu)越性。在現(xiàn)實生產(chǎn)中，恒溫差式響應(yīng)速度快，容易實現(xiàn)，所以目前大多數(shù)產(chǎn)品均采用該原理。但恒功率式質(zhì)量流量計與之相比，有著非常明顯的優(yōu)勢，已經(jīng)成為人們進一步研究和發(fā)展方向。
參考文獻
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