淺析熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)以及原理

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)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(duì)稱繞制四個(gè)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(shí)，測(cè)量管的溫度分布是對(duì)稱的一條曲線見圖5，有流量時(shí)，曲線偏離對(duì)稱，流量越大，偏離越甚。四臂繞組既是加溫元件又兼作測(cè)溫元件，電橋?qū)菣z出的直流毫伏信號(hào)(D.Cmv)與流量的大小在一定的范圍內(nèi)成線性。

無流量時(shí)，熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)上游管段與下游管段的平均溫升對(duì)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(shí)，氣流流經(jīng)上游段管表現(xiàn)為吸熱，氣流經(jīng)下游段時(shí)，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(cè)氣體間的熱交換是充分的。因而與一定流量對(duì)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(duì)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(jì)因而得名。由(6)式可知，該儀表的測(cè)檢前提是比熱C恒定，因而熱流量計(jì)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(cè)量。電橋輸出的信號(hào)(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(gè)測(cè)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(duì)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(dòng)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(duì)稱性，特別是與測(cè)量元件的工藝?yán)@絲的配對(duì)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(duì)應(yīng)的信號(hào)值將變化，實(shí)驗(yàn)測(cè)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(jì)一個(gè)大熱容量的鋁制等溫體內(nèi)藏測(cè)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(shí)溫度波動(dòng)的影響，而溫度補(bǔ)償電路將消除緩慢的環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的研制工作著重是突破兩點(diǎn)，其一是尋求一個(gè)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(duì)于瞬變流量的響應(yīng)速度，由于加溫和測(cè)溫元件繞于測(cè)量管的外壁，滯后時(shí)間就較大，實(shí)測(cè)低壓型(直徑3*0.1鎳管)

其時(shí)間常數(shù)為33秒;高壓型(直徑4 *0.2不銹鋼管)為55秒。對(duì)于脈動(dòng)(如往復(fù)泵出口)流量的測(cè)量，儀表能給出平均流量的示值，但對(duì)于快變化的瞬時(shí)流量，儀表不能立即響應(yīng)，在自動(dòng)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(cè)定熱式質(zhì)量流量計(jì)的純滯后時(shí)間是很短的，約為0.5一1秒，流量計(jì)對(duì)階躍流量信號(hào)的滯后表現(xiàn)為時(shí)間常數(shù)較大，呈積分式指數(shù)曲線，這使我們有可能對(duì)輸出信號(hào)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(shí)間大為縮短。