热式气体流量计原理及影响因素分析研究 热式气体流量计原理及影响因素分析研究 第19卷 2008年9月3期 中国计量科学研究院 第1期 19号 9月3日。 2008 [文章编号] 1004-1540(2008)03-0201-05 热式气体流量计原理及影响因素的分析研究 梁国伟,温英杰,黄振伟,梁以玲 (1.计量测试工程学院,中国计量科学研究院，浙江杭州；2.杭州质量技术监督检验院，浙江杭州) [摘要] 讨论了热式探头的气体流量测量方法和热式流量计的设计方法。 在讨论热探头气体流量测量原理的基础上，深入分析探头类型、安装方式、环境温度、电源等影响因素，并提出设计建议热式流量计。 [关键词] 热式气体流量计； 测量原理； 影响因素； 温度补偿【中国分类号【文献标识码】A-wei，—jie，-wei，-ling（1.

ing,ty,,中国； 2.，，中国）：sed。 ，，，关于，。 有。

:;;;- 1 热式流量计测量原理 1. 1 工作原理 热式质量流量计是根据介质传热原理制成的流量计。 一般用于测量气体的质量流量。 根据所要测量的物理量的不同，可以有以下三种测量关系： 1）利用流体流经加热管时产生的温度场变化与流体质量流量之间的关系； 2）利用流体受热时流体温度需要升高一定值的关系。 能量与流体质量流量的关系； 3）利用流体流经加热探头时带走的热量与流体质量流量之间的关系。 热式气体流量计具有压力损失小、流量范围大、精度高、重复性高、效率高等特点。 [收稿日期]2008-03-31 [作者简介]梁国伟（1957年生），男，浙江新昌人，教授。 主要研究方向是流量测量测试和智能仪表202中国计量科学研究院第19卷可靠性、无运动部件，可用于极低气体流量的监测和控制。 根据以上三种测量关系，可分为两种测量方法。 一是向流体添加必要的热量，热能随流体流动。 通过检测相应点的热量变化即可得出流量； 另一种是向流体添加必要的热量。 放置一个加热元件，其温度随流量变化。 您可以通过检测加热元件的冷却程度来测量流量。 前者称为热敏型。 属于这种测量方法的仪器有早期的托马斯流量计和非接触式边界层流量计。 和热分布式流量计； 后者称为导热型。 属于这种测量方法的仪器有热线风速计、浸入式流量计等。

质量流量计利用加热流体中的热量（或温度）变化来测量流体有着悠久的历史。 早期的热式流量计直接将加热线圈和测温元件放入流体中并与流体直接接触。 这是一个接触式流量计。 20世纪初提出的托马斯流量计就是此类流量计的代表[1]。 由于无法解决腐蚀、磨损、防爆等问题，其工业应用受到很大限制。 到了20世纪50年代，人们提出了一种不与流体接触的边界层流量计_2]，它克服了接触式流量计的缺点，但测量结果易受介质参数（如导热系数、比热容、粘度、等）常用于测量较大的液体流量； 到了20世纪70年代，基于测量流体温度分布的热式分布流量计以其独特的优点和与流体的非接触性能在国内外迅速发展。 用于测量gas_3的微小流量； 随着科学技术的发展，经过对流量计结构的重新设计，在接触式流量计的基础上，提出了浸入式热式流量计，并得到了迅速发展。 热探头包括热丝、热膜、微型热阻电桥等，可用于测量较大管径内的气体流量。 综上所述，目前商品化的热式流量计可分为两类：浸入式和热分布式。 而且，由于近年来浸入式探头类型、结构和安装方式的迅速发展，在气体流量测量领域的应用越来越多。

本文的目的是通过几年来对热式流量的研究，在阐述热式流量计原理的基础上，对探头类型、安装方式、环境温度、电源等因素的影响进行总结米[1]。 1.2 数学模型 热式气体流量计的原理是基于热平衡原理。 目前主要有两种形式：热丝和热膜。 热丝的敏感元件一般是直径很细（约0.002~0.05mm）的铂丝或钨丝。 热膜的敏感元件是在陶瓷基板上沉积金属（如铂）而形成的薄膜电阻。 。 热丝式和热膜式的工作原理相同。 图1所示为热式气体流量传感器的工作原理。 在气流通道中放置一根热丝（铂丝或钨丝）R和补偿电阻R。 ，在稳定流场中形成平衡桥。 当气流通过流量传感器时，热丝被冷却，热丝温度下降，其电阻值减小，电桥失去平衡。 由集成运算放大器组成的反馈电路会自动增加提供给热线的电流，使热线恢复到原来的温度和电阻值，从而使电桥恢复平衡。 事实上，当气体流量变化时，热丝的电阻并没有变化，而是工作在恒温模式下。 当有变化趋势时，通过运算放大器的反馈作用，供给热线的电流发生变化，以保持探头温度（电阻）恒定。 根据热平衡原理，电流流过热丝产生的热量应等于流体流过热丝带走的热量。 因为热丝产生的热量w取决于焦耳定律，而流体带走的热量H取决于散热定律，所以有：W—H(1)l1IL:==。

,,^,,x^,,,,,,,,,砷-JI__。 图1 热式气体流量计原理 对于有限长度的热丝，稳定工况下的散热量应为对流引起的散热量、热丝向支撑杆的热传导引起的散热量QK、热丝热辐射产生的热量。 耗散总和：H—Qc+QK+Q (2) 由于大多数情况下热丝与周围流体的温差一般小于300°，因此辐射热Q可以忽略不计； 当热丝的长径比较大时，热丝向支架的热传导Q与Qc相比也可以忽略不计，因此热丝的散热主要是通过对流引起的。 对于圆柱形热丝，可以清楚地表达由于对流而产生的传热关系。 LV King对这种关系进行了详细的研究。 对流引起的散热量Qc为：Qc - 27 (. (T, T.) - - - - 1n - i + 1. 12 pc?npc — pv — d手册[M]。北京：计量出版社，1982： 231-239.—[J]. 研究所, 1957, 34(4): 642.,,.[J].

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