热式质量流量计两种工作原理比较

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=TS2-TS1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qm=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?RS2。因此质量流量qm与Q/ΔT21成一一对应的关系，可表示为：

qm=f〔I2?RS2/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RS2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。