分段恒流式热式质量流量计

　　0　引言

　　热式质量流量计是利用热扩散原理[1],通过流体流量与热源热量的热交换关系来测量流量的流量计。它具有压力损失小、没有可动部件、结构简单、维护方便、测量范围大的特点,特别适合于测量微小流量的气体流量。

　　1　测量原理和测量方法

　　热式质量流量计是在测量管路中加入两个金属铂电阻,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。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。若流体密度为ρ,流体流速为V,加热物体被流体带走的热量为Q,加热物体与流体的温差为ΔT,则有关系式:

　　对于组份一定的流体,k1、k2、k3为常数。在横截面为S的管路中,质量流量Qm=ρ·V·S。在实际测量过程中,测速铂电阻RH被仪表输入的电流I加热,在热平衡状态下,电流的加热功率与加热电阻被流体带走的热量处于平衡状态,即有:Q=I²·RH。因此质量流量Qm与Q/ΔT成一一对应的关系,可表示成

　　由此可以看出,质量流量的测量方法有两种,一种方法为恒流式,即当加热电流I不变时,通过测出流体的温差ΔT(这里忽略了RH随温度的变化),计算流体的质量流量。另一种方法为恒温差式,从字面上讲是保持加热铂电阻与测温铂电阻的温差ΔT不变,实际是通过一个桥式电路保持加热铂电阻和测温铂电阻的温差ΔT与加热铂电阻RH的比值ΔT/RH不变,通过测量加热电流I来计算流体的质量流量。本文采用的是恒流式测量方法。

　　2　恒流式热式质量流量计总体设计

　　热式质量流量的计算公式可表示成

　　由此可以看出,当环境温度T0基本不变时,给加热电阻加一恒定电流I,质量流量只是加热温度的单值函数,只要测出加热电阻的阻值即可。当环境温度变化较大时,须同时测出环境温度和加热温度,利用上述公式计算质量流量。

　　当流体流量较小或流量为零时,大的加热电流会使加热电阻过热,由于加热电阻的热辐射,加热电阻周围的环境温度也会增加,影响测量精度。当流体流量较大时,小的加热电流会使加热温度与环境温度的差变小,减小传感器对流量变化的灵敏度。因此在整个流量测量范围内,采用恒定的加热电流是不合理的。

　　本文采用分段变电流的方法,当流量较小时,加入较小的加热电流,当流量较大时,加入较大的加热电流。