熱式質量流量計的工作原理

測量氣體用的*多（duō）的（de）就是熱式質量流量計了，但很多人針對熱式質量流量計還不太了解，那麽**找來有（yǒu）關（guān）專家為大家概述熱式質量流量計的（de）原理。

熱式質量流量計(以下簡稱tme)是（shì）利用傳（chuán）熱原理（lǐ），即流動中的流體與熱（rè）源(流體中加熱的（de）物體或測量（liàng）管外加熱體（tǐ）)之間熱量交（jiāo）換關係來（lái）測量流量的儀表，過去（qù）我國習稱量熱式流量計。當前主要用於測量氣體。

20世紀90年代初期，**範圍tmf銷售金額約（yuē）占流量儀（yí）表的8%，約4.5萬台。國內90年代中期銷售量估計每年1000台左右。過（guò）去流程工業用儀表（biǎo）主要是熱分布式，近幾年（nián）才（cái）開發（fā）熱散(或冷卻)效應式。

1. 原理和結構

熱式流量儀表用得*多有兩類，即（jí）1)利用流動流體傳遞（dì）熱量改變測量管壁溫度分布的（de）熱傳導分布效應的熱分布式流量計(thenmai prohie fiowmeter)曾稱（chēng）量熱式tmf;2)利用熱消散（sàn）(冷卻)效（xiào）應的金氏（shì）定律(king s iaw)tmf。又由於結構上（shàng）檢測元件伸入測量管內（nèi），也稱浸入型(immersion type )或（huò）侵入型（xíng）(intrusion type)。有些在使用時從（cóng）管外插入工藝管內的儀表稱作插入式(insertion type)。

1.1熱分布式tmf

熱分布式tmf的工作原理如圖1所示，薄壁測量管（guǎn）3外壁繞著兩組（zǔ）兼作加熱器和檢（jiǎn）測元件的繞組2，組成惠斯登電橋，由恒流電源5供給恒（héng）定（dìng）熱（rè）量，通過線圈絕緣層、管壁、流體邊界層傳導熱（rè）量給管（guǎn）內流體。邊界層內熱的（de）傳遞可以看作熱傳導方（fāng）式（shì）實現的。在流（liú）量為零時（shí），測量管上的溫度分布如（rú）圖下部虛線所示（shì），相對於測量管（guǎn）中心的上下遊是（shì）對稱（chēng）的，由線圈和電阻組成的電橋處（chù）於平衡狀態;當流體流動時，流體將上遊的部（bù）分熱（rè）量帶給下遊，導致溫度分布變化（huà）如實線（xiàn）所示，由電橋測出兩組線圈電阻值的變化（huà），求得兩組線圈平均溫度差（chà）δt。便可按下式導（dǎo）出質量流量qm，即

(1)

式中 cp -------被測氣體的定壓比熱容;

a -------測量管繞組(即加熱（rè）係（xì）統)與（yǔ）周圍環境熱交換係統之間的熱傳導係數;

k -------儀表常數。

在總的熱傳導係（xì）數a中，因（yīn）測量管壁很薄且具有相對較高（gāo）熱導率，儀（yí）表製成後其（qí）值不變，因此a的變化（huà）可簡化認為主要是流體邊界層熱導率的變化。當使用於某一特定範（fàn）圍的流體時，則a、cp均視為常量，則質量流量僅與（yǔ）繞組平均溫度差成正（zhèng）比，如圖2 oa 段所示。 oa段為儀表正常測量範圍，儀表出口處流體不帶走熱（rè）量，或者說帶走熱量*微;超過a點流量增大到有部分熱量被帶走而呈現非線性，流量超過b點則大量熱量被帶走。

測量管加（jiā）熱方式大部分產品（pǐn）采用兩繞組或三繞（rào）組線繞電阻;除管外電阻絲繞組（zǔ）加熱方式外還有（yǒu）利用管材本身電阻加熱方式，如（rú）表1所示。測量管形狀有直管形，還有∏字形結構，三（sān）繞組中一組在中間加（jiā）熱（rè），兩組分繞兩（liǎng）臂測量溫度。

表 1 測（cè）量管加熱和檢測方式

為了獲得良（liáng）好的線形輸出（chū），必須保持層流（liú）流動，測量管內徑d設計得很小而長度l很長（zhǎng），即有很大l/d比值，流速低，流量小（xiǎo）。為擴大儀表流量，還可采用在管道內裝管束等層流阻流件;擴大更大流量和口徑還常采用分（fèn）流（liú）方式，在主管道內裝層流阻流（liú）件(見（jiàn）圖3)以恒定（dìng）比（bǐ）值分流部分流體到流量傳感部件（jiàn）。有些型號儀表也有用文丘裏噴嘴等代替層流阻（zǔ）流件。

市場上熱分布式tmf按測量管內徑分（fèn）為細管型(也有稱毛細（xì）管（guǎn）型)和小型兩大類，結構上有較（jiào）大區別。小（xiǎo）型測量管（guǎn）儀（yí）表隻有直管型，內徑為4mm;細管型測量管內（nèi）徑僅0.2~0.5mm。稍大者（zhě）為0.8~1mm，*容易堵塞，隻適用於淨化無塵氣體。細管型儀表還有一種帶有調節單元（yuán）和（hé）控（kòng）製閥等組成一（yī）體（tǐ）的熱式質量流量控製器，結構如圖4所示。

1.2基於金氏（shì）定律的（de）浸入型tmf

金氏定律的熱絲熱散（sàn）失率（lǜ）表述各參量間關係，如式2所示。

圖片(2)

式中 h/l -------單位長度熱散失率，j/m?h;

δt--------熱絲高於自由流束的平均升高溫度，k;

λ --------流體的熱導率，j/h?m?k;

cv---------定容（róng）比熱容，j/kg?k;

ρ---------密度，kg/m3;

u---------流體的流速，m/h;

d--------熱絲直徑，m.

如圖5所示，兩溫度傳感器(熱電阻)分別置於氣流中兩金屬細管內，一熱（rè）電阻測（cè）得氣流溫度t;另一細管經功率恒定的電熱加熱，其溫度tv高於氣流溫度，氣體靜止時tv*高，隨著質量流速（sù）ρu增加，氣流帶走更多熱量，溫度下降，測得溫度差（chà）δt=tv-t.這種方法稱作“溫度差測量法”或“溫度（dù）測量法（fǎ）”。

消耗功（gōng）率p和溫度差（chà）δt如式3所示比（bǐ）列關係（xì），式中b, c, k均為常數，k在?~?之間。從式（shì）2便可算出質量流速，乘上（shàng）點流速於管道平均流速間（jiān）係數和流通麵積（jī）的質（zhì）量流（liú）量qm，再將式3變換成式4。

(3)   

(4)   

式4中e是與所測氣體物性如熱導率、比熱（rè）容、粘度等有關的（de）係數，如果氣（qì）體成分和物性恒定則視為常數。d則是與實際流（liú）動有關的常數。

若保持δt恒定，控（kòng）製（zhì）加熱功率隨著流量增加而增加功率，這種方法稱作“功率消耗測量法”。