熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)原理
熱式質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)介質(zhì)熱傳遞原理制成的一種流量儀表,一般用來測量氣體的質(zhì)量流量.根據(jù)被測物理量的不同可以有以下3種測量關(guān)系:1)利用流體流過加熱管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場變化與流體質(zhì)量流量的關(guān)系;2)利用加熱流體時(shí)流體溫度上升某一值所需要的能量與流體質(zhì)量流量之間的關(guān)系;3)利用流體流過加熱探頭時(shí)帶走的熱量與流體質(zhì)量流量的關(guān)系.熱式氣體流量計(jì)具有壓損低,流量范圍度大,高精度、高重復(fù)性和高可靠性,無可動(dòng)部件以及可用于極低氣體流量監(jiān)測和控制等特點(diǎn).根據(jù)上述3種測量關(guān)系可以分成兩種測量方法,一種是給流體加入必要的熱量,熱能隨流體流動(dòng),可以通過檢測相應(yīng)點(diǎn)的熱量變化來求出流量;另一種是在流動(dòng)的流體中放置發(fā)熱元件,其溫度隨流速變化,可以通過檢測發(fā)熱元件被冷卻程度來測量流量;前者稱為熱量式,屬于這種測量方法的儀表有早期的托馬斯流量計(jì)、非接觸式的邊界層流量計(jì)和熱分布型流量計(jì);后者稱為熱導(dǎo)式,屬于這種測量方法的儀表有熱線風(fēng)速儀,浸入型流量計(jì)等。
熱式探頭的型式
經(jīng)過幾十年的發(fā)展,浸入型熱式流量計(jì)探頭已有很多種型式,適用于各種應(yīng)用場合.最簡單的探頭形式就是一段直徑非常微小的圓柱體金屬線,安裝在一個(gè)微型支架上,實(shí)驗(yàn)室用的熱線風(fēng)速儀就是這種型式.其直徑一般只有2～5μm,長度只有毫米量級(jí),電阻只有幾歐姆.由于探頭比較嬌貴,一般只用于實(shí)驗(yàn)室場合,對(duì)流速變化的反應(yīng)非常靈敏。用于實(shí)際管道測量空氣流量的熱線探頭,在兩個(gè)金屬支架上固定一根螺旋狀的熱線,其結(jié)構(gòu)如燈泡中的燈絲.熱線一般由直徑為20～50μm的鉑絲或鎢絲組成,長度可達(dá)幾十毫米,電阻為10～20Ω.由于熱線長度比較長,所以常繞成幾毫米長的螺旋狀線管固定在支架上。
探頭電阻
熱式探頭電阻的設(shè)計(jì)選取,除了直接與探頭工作溫度、工作電流等指標(biāo)有關(guān)之外,還與探頭結(jié)構(gòu)及其幾何尺度有關(guān).
探頭結(jié)構(gòu)的散熱條件對(duì)探頭工作溫度影響極大,如探頭封裝厚度等條件.即使幾何尺寸、散熱面積和探頭體積等參數(shù)均差不多的兩個(gè)熱膜探頭,在同樣的加熱電流條件下,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其熱性能也可有很大的差異,甚至可以是成倍的差異，所以,散熱條件越好,可以選用相對(duì)大一點(diǎn)的探頭電阻.
散熱面積越小,探頭工作溫度就越高.例如裸露的熱線,由于它完全暴露在氣流中,散熱條件應(yīng)該很好;但熱線探頭與熱膜探頭試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn),由于熱線直徑非常小,散熱面積比熱膜陶瓷基片要小得多,而熱絲的體積與熱膜陶瓷基片比更加微小,所以熱絲的熱容量很小.熱容量小和散熱面積小都將導(dǎo)致熱線探頭的工作溫度提高.同樣的工作條件下,熱絲的溫度要遠(yuǎn)高于熱膜溫度.所以,對(duì)于熱線,應(yīng)該選用較小的探頭電阻。
供電電源
要使熱式流量計(jì)正常工作,就必須使探頭溫度達(dá)到一定水平,也就是要給熱式探頭提供一定的能量.從式(5)可知,提供的能量為W=I2HRH.對(duì)于一定幾何尺度和結(jié)構(gòu)的熱式探頭,如果其散熱條件等因素也相似,則欲保持一定探頭溫度水平的能量也應(yīng)相近.所以,如果提高探頭電阻,則加熱電流可以減小,但減小的幅度并不一樣,探頭兩端電壓將有所增加.對(duì)于一定的供電電源電壓,探頭電阻的增加將有一限值,并不能一味地用提高電阻的方法來降低電流.
對(duì)于低壓供電電源,原則上應(yīng)降低探頭電阻,以增加加熱電流的方法來維持探頭能量.但探頭電阻一般無法隨意改變,只有有限的幾種可供選擇.所以,當(dāng)供電電壓較小時(shí),應(yīng)盡量減小的取樣電阻R1的阻值,以避免出現(xiàn)大流量信號(hào)的飽和現(xiàn)象.
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