热式质量流量计工作原理

流量计是工业测量中重要的仪表之一。随着工业生产的发展，对流量测量的准确度和范围的要求越来越高，流量测量技术日新月异。为了适应各种用途，各种类型的流量计相继问世。目前已投入使用的流量计已超过100种，而热式气体质量流量计就是这其中应用比较广泛的一种。热式质量流量计可分为：恒温差法（功率消耗测量法）流量计和恒功率法（温度测量法）流量计。从热式气体质量流量计的发展历史来看，恒温差式流量计更先应用于实际工业的介质测量，这是因为恒温差式实现起来比恒功率式更加容易，所以从现在生产气体质量流量计的厂家来看，采用恒温差原理的厂家更多一些，有Kurx、Sirren、Brooks等。但是随着生产要求的不断提高，恒温差式流量计已经很难满足一些特殊生产的需要，这就使恒功率式流量计成为重点的研究方向。

1 恒温差法

原理：恒温差法（功率消耗测量法）是加热元件的温度高于气体的温度，气体流过时带走一部分热量，保持加热元件和被测气体温度差恒定在一定的温差，控制和测量热源提供的功率，功率消耗随流量的增加而增加，由功率的消耗反映气体流量。

在测量管路中加入两只金属铂电阻，一个铂电阻加入较小的电流（电流在4mA以下，不会引起电阻发热），用于测量被测流体温度，称为测温电阻。另一个铂电阻通入较大电流（电流一般在50mA以上），用于测量被测流体的速度，称为测速电阻。根据热扩散原理，加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。工作时测温电阻不断检测介质温度，测速电阻自加热到一个高于流体的恒定温度，流体流动时，由于散热测速电阻表面温度降低，测速电阻阻值发生变化，惠斯通电桥不平衡。通过由惠斯通电桥组成的反馈电路把温差反馈到处理器来增大加热器的电流（也可以是电压）来保持其温差为恒定。

流体的流量与加入的电流（电压）成比例关系：流体的流量越大，为维持恒定温度差所加入的电流（电压）越大。所以可以通过实验标定出加热电流（电压）和质量流量的关系，就可以通过电流（电压）来计算出流体质量流量。

恒温差式气体质量流量计存在问题：随着介质流量的增加，测速铂热电阻的热量被迅速带走，恒温差式流量计要求对测速铂热电阻加热的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电路本身功率的影响以及测速铂热电阻最大允许电流的影响，其最大可测量流量受到限制。

2 恒功率法

恒功率法（温度测量法）是以恒定功率为铂热电阻提供热量，使其加热到高于气体的温度，流体流动带走铂热电阻表面一部分热量，流量越大，温度降越大，测量随流体流量变化的温度，可以反映气体流量。有以下两种实现方式：

（1）只对一只铂电阻加热，由热扩散原理测量温差。

原理：与恒温差式流量计的结构类似，在测量管路中同样加入两个金属铂电阻，一个为用于测量被测流体温度的测温电阻，另一个为用于测量被测流体速度的测速电阻。在加热器上加上一个恒定的功率对测速铂电阻加热，流体在静止时测速铂电阻和测温铂电阻表面温度差ΔT₂₁=T_S2-T_S1最大，随着介质的流动，两个铂电阻表面温度差减小。流体的流量越大，两只铂电阻的温差越小。铂电阻连接在惠斯通电桥中，铂电阻的温度不同使铂电阻的电阻呈现不同阻值，从而使电桥不平衡，通过检测电桥的电压差来反应流体流量。

该恒功率式质量流量计存在的问题：若流体的密度为ρ，流速为μ，加热铂电阻被流体带走的热量为Q，测温铂电阻和测速铂电阻的温度差为△T₂₁，则有关系式：

Q/ΔT₂₁=k1+k₂•（ρ•μ）^k3

式中对于组分一定的流体，k₁、k₂、k₃为常数。

在横截当S的管路中，质量流量q_m=ρ•μ•S。测量过程中，测速铂电阻被电流I加热，在热平衡状态下，电流的加热功率与测速铂电阻被带走的热量处于平衡状态，即Q=I²•R_S2。因此质量流量q_m与Q/ΔT₂₁成一一对应的关系，可表示为：

qm=f〔I²•R_S2/ΔT₂₁〕

当加热电流I不变，通过测出流体的温差ΔT₂₁计算流体的质量流量时，忽略了测速铂电阻R_S2随温度的变化，会造成误差。

（2）对两只对称的铂电阻进行加热，由热平衡原理计算温度差。

传感器的结构是把两个完全相同的铂电阻对称的固定在热源的两侧，放置在流体中。采用一个恒流源（恒压源）对热源加热，流体流动使两个铂电阻的温度不同。铂电阻连接在惠斯通电桥中，铂电阻的温度不同使铂电阻的电阻呈现不同阻值，从而使电桥不平衡，通过检测电桥的电压来反应流体流量。

现从传热学角度对该传感器原理作进一步的分析。假定流体为均匀分布的牛顿型流体，以一维测量为例：如图1所示，热源R置于传感器基片的中心，在其两边对称地放置两个完全相同的温度检测芯片（薄膜式铂电阻）S1和S2传感器与流体之间的热交换主要通过对流进行，热源与温度检测芯片之间的热交换可通过传导和对流进行。

图1 传感器结构示意图

当流体流速为零，即当流体处于静止状态时，表面附近的流线场及主要由此产生的温度场相对于热源呈对称分布。由于结构上的对称性，通过基片热传导进行的热交换相对于热源始终是对称的。此时感温芯片的铂电阻温度满足T_S1=T_S2，即温差：ΔT₂₁=T_S2-T_S1=0。

当流体流动时，流体和铂电阻之间主要为对流换热，由于局部对流换热系数的不同，基片表面附近的流线场及相应的温度场相对于中心热源的分布发生变化，导致倾向性的不对称分布。根据热边界层理论，可知，此时上游温度检测芯片表面冷却速率高于下游芯片表面，即铂电阻S1的换热系数大于S2是换热系数，所以T_S2＞T_S1，温差温度差：ΔT₂₁=T_S2-T_S1＞0。

且ΔT₂₁的值随流体流速的增大而增大。如果改变流体流向，ΔT₂₁亦相应改变符号。

利用热平衡方程可以计算出因对流引起的芯片表面的温度再分布，获得温度差与流速的关系式。

3 两种方案的比较和选择

恒温差原理的气体质量流量计的最大优点是比恒功率式气体质量流量计响应的时间快。因为恒功率式测量值从实际温度变化获得，测量管质量和检测元件质量的热惯性会降低响应速度；恒温差式的温度分布没有变化，不受检测元件等质量热惯性影响。

对于恒功率式气体质量流量计，它采用一个恒定的功率对铂电阻加热，较之恒温差式气体质量流量计有如下优点：

（1）恒功率式流量计的最大可测量流量较大，随着介质流量的增加，被加热的铂热电阻的热量被迅速带走。对于恒温差式流量计，它要求对被加热电阻的能量快速加大才能保证恒定的温差。但是由于能量的增大受到电路本身功率的影响以及被加热的铂电阻最大允许电流的影响，其最大值受到限制。而恒功率型的流量测量容易实现，通常恒功率原理的流量计对空气的最大可测量速度为488m/s，而恒温差原理的流量计最大可测速度只能达到38m/s。

（2）恒功率流量计不容易受到脏湿介质的影响。恒温差流量计为了使其对温度快速响应和保持恒定的温差，一般铂电阻均做得比较细，而恒功率流量计却可以做得粗（各生产厂不一样尺寸也不一样）。这样对于脏湿介质测量时，脏湿物质对铂电阻可能产生短暂的附着物（任何生产厂都对铂电阻采用了抛光处理，长期附着物的产生是不大容易的）。对于较细的铂电阻，其附着物对加热铂电阻的散热会产生较大的影响，严重时使其测量精度大大降低。恒功率对脏湿介质的测量会好很多。

（3）恒温差式流量计不对温度的变化进行补偿，恒功率流量计却能对温度变化的全范围内进行自动补偿。众所周知，热流量和平衡常数是受温度的变化而变化的，一般而言只在30℃的范围内为常数，当测量的气体温度范围超过这一数值时，气体的热流量系数和平衡常数均会发生变化。受电路设计的影响，目前市场上所有的恒温差流量计均没有对温度进行补偿，而FCI公司采用恒功率方式的流量计均能对全温度变化范围内的热流量系数和平衡常数进行自动补偿。而介质的温度变化范围受气候或别的原因的影响是很难保持恒定的。

（4）恒功率与恒温差在耐高温方面有着显著的差异。目前而言，恒功率的最高耐温可以做到454℃，而恒温差的流量计一般都在260℃以内，这对于测量过热蒸汽而言，其适应性有很大的差别。

4 结语

从上述几个方面的比较可看出，恒功率热式气体质量计比恒温差热式气体质量流量计有着显著的优越性。在现实生产中，恒温差式响应速度快，容易实现，所以目前大多数产品均采用该原理。但恒功率式质量流量计与之相比，有着非常明显的优势，已经成为人们进一步研究和发展方向。