热式气体质量流量计流量传感器是非电最的电转换部件,其内部结构示于图4,在一根薄壁细管上,对称绕制四个绕组w56。重叠于W12之上,W78重叠于W34上,组成惠斯登电桥,供以恒定电流,使管子加热,无流量时,测量管的温度分布是对称的一条曲线见图5,有流量时,曲线偏离对称,流量越大,偏离越甚。四臂绕组既是加温元件又兼作测温元件,电桥对角检出的直流毫伏信号(D.Cmv)与流量的大小在一定的范围内成线性。

无流量时,热式气体质量流量计上游管段与下游管段的平均温升对称且均可表示为

式中:Q—每半截管由电源获得的热量。

A—每半截管与环境间的热传导。有流量时,气流流经上游段管表现为吸热,气流经下游段时,表现为放热,这种热交换以传导形式为主,由于流速缓慢和管径较细,可以认为管壁与被测气体间的热交换是充分的。因而与一定流量对应的上下游半截管其平均温度分别表为

和△T=T-To

将(5)式代入(4)式,则上下游管的平均温差为:

显然,对于特定的介质和仪表结构,并保持恒定加热功率,其比热C,最高温升T,传热系数A均为常数。

(6)式表达了仪表的基本方程,热式气体质量流量计因而得名。由(6)式可知,该仪表的测检前提是比热C恒定,因而热流量计仅适用于单一组份的气体或组份比恒定的混合气体的流量测量。电桥输出的信号(D.Cmv )是T2m_T1m的量度,于是可以给出mv与质量流量(或者以体积表示的流量)的校正曲线示于图6,由曲线可知,在仪表的整个测量范围,线性段是很宽的,4.51/hr以后偏离了线性,说明流速已偏高,气流部份来不及与管壁进行充分的热交换,从管中带出部份热量,于是线性被破坏,对于小4管线性范围怀要赛些。

由(6)式可知,仪表如果以质量流量标定,则流量将与温度及压力基本上无关,这是因为气体的比热在很宽的范围与温度及压力近似无关。但是,气体的质量标定还有很多困难,所以国外许多国家仍以体积标定为主要方法,例如法国的U-70型与美国的LF及HF系列仪表均是如此,显然体积法敏感于操作压力及温度,而且环境温度的波动也将引起示值的变化,这种变化的大小与仪表的结构的对称性,特别是与测量元件的工艺绕丝的配对性有关。

由(6)式可知,环境温度To变化,K值将变化,相同流量对应的信号值将变化,实验测定流量曲线随环境温度变化的影响见图7。在一般情况下,环境温度升高20 摄氏度,流量曲线下移(几乎是平行的关系)约7一8%。因此,设计一个大热容量的铝制等温体内藏测量元件和采用温度补偿措施是十分必要的。等温体的设置是减小瞬时温度波动的影响,而温度补偿电路将消除缓慢的环境温度波动的影响。

热式气体质量流量计的研制工作着重是突破两点,其一是寻求一个效果好,简易可行,便于批量生产的环境温度补偿措施;其二是提高仪表对于瞬变流量的响应速度,由于加温和测温元件绕于测量管的外壁,滞后时间就较大,实测低压型(直径3*0.1镍管)

其时间常数为33秒;高压型(直径4 *0.2不锈钢管)为55秒。对于脉动(如往复泵出口)流量的测量,仪表能给出平均流量的示值,但对于快变化的瞬时流量,仪表不能立即响应,在自动调节系统中过多的滞后是不允许的,将严重影响调节质量。实验测定热式质量流量计的纯滞后时间是很短的,约为0.5一1秒,流量计对阶跃流量信号的滞后表现为时间常数较大,呈积分式指数曲线,这使我们有可能对输出信号进行纯电路的再处理,显然这种处理应该是微分形式,它起到超前作用,实际电路采用放大、闭环积分负反馈形式,合理选择反馈元件,可使响应时间大为缩短。