熱式質量流量計 熱式質量流量計（Theermal Mass flowmeters,簡稱TMF）在國內習慣稱為熱式流量計，是利用流體流過外熱源加熱的管道時產生的溫度場變化來測量流體質量流量，或利用加熱流體時流體溫度上升某一值所需的能量與流體質量之間的關系來測量流體質量的一種流量儀表。一般用來測量氣體的質量流量。具有壓損低；流量范圍度大；高精度、高重復性和高可靠性；無可動部件以及可用于極低氣體流量監測和控制等特點。 1.托馬斯流量計 2. 浸入型熱式質量流量計 浸入型TMF是在原來熱線接觸式流量計的基礎上發展起來的一種堅固型熱式質量流量計，它解決了接觸式TMF在結構上的缺陷，采用適用于工業應用的堅固的高可靠性傳感器，近二十多年來得到了很快的發展。 ① 浸入型熱式質量流量計原理 ② 浸入型熱式質量流量的分類 ③ 浸入型熱式質量流量計的特點 3.熱分布型熱式質量流量計 從圖6-14的曲線可知，浸入型TMF工作在曲線的后半段，質量流量與溫差ΔT成反比，不能用來測量微小流量。熱分布型TMF是近二十多年來發展起來的測量微小氣體流量的儀表。它工作在圖6-14曲線的前半段，在一定的流量范圍內，質量流量與溫差ΔT成正比，廣泛應用于半導體制備、石油化工、冶金、制藥、原子能等工業中微小氣體流量測量。 ① 熱分布型熱式質量流量計的原理 熱分布型TMF傳感器的工作原理如圖6-18所示，在一根小口徑薄壁測量管的外壁上，對稱繞制兩個具有較高溫度系數的電阻線圈，并與另外兩個電阻組成以直流電橋。電阻線圈既是加熱元件，有時測溫元件。電橋由專門的電阻線路（轉換器）供給恒定的電流，電阻絲產生的熱流加熱測量管和其內部的氣體。當無氣體通過時，在測量管上軸線的溫度分布是對稱的。如圖6-18b虛線所示，上下游個電阻絲的平均溫度為Tm，溫差為零；當有氣體流過時，上游溫度下降，下游溫度上升，測量管軸向溫度分布曲線發生畸變，如圖6-18b實現所示，上西游個電阻絲的平均溫度為T1和T2，溫差為ΔT；當流量趨向于無窮大時，由于電阻絲產生的熱量很快被氣體帶走，上下游的溫差又趨向于零，流量計將不能正常工作。所以微小流量是這種流量計工作的必要條件。流量應小到不至于將加熱熱量帶出傳感器，即在傳感器出口處，溫度應恢復到進口溫度T0。 設T0為來流溫度，也即環境溫度；T1和T2分別為電阻絲通電加熱后上下游個電阻絲的平均溫度。 無氣體通過時，上下游個電阻絲的平均溫度為Tm，即T1=T2=Tm，溫差為零。電阻絲的溫升為： Tm-T0=W/A (6-15) 式中：W--給電阻絲的加熱功率 A--電阻絲和管壁及其內部氣體的總熱傳遞系數。 此時管壁溫度分布對稱，測量管中最高溫度在兩電阻絲之間中點位置。 當管內有氣體通過時，流動的氣體將從上游帶給下游一部分熱量W1.顯然，W1與通過管道的氣體質量流量qm；介質比定壓熱容cp，以及溫差是成正比的。即： W1=(T-T0)cp*qm (6-16) 式中：T--測量管中的最高溫度。 如果通過測量管的氣體質量流量足夠小，使測量管中氣體與加熱線圈及周圍環境有足夠的熱平衡時間，并且在傳感器的出口溫度恢復到T0，也即出口處不帶走加熱熱量，則 W-W1=A(T1-T0) (6-17) W+W1=A(T2-T0) (6-18) 將上兩式相減代入式6-16，可得 T2-T1=[2(T-T0)cp*qm]/A (6-19) 即上下游電阻絲的平均溫差ΔT與乘積cp*qm成正比。 由于測量管上下游溫差的存在，使得上下游電阻絲產生一電阻差。為了便于分析，設： a:當測量管中無氣體通過時，電阻橋路上個電阻絲的阻值相等，其值為R0； b:當測量管中有氣體通過時，上游電阻絲阻值減小ΔR，下游電阻絲阻值增加ΔR，變化量ΔR的大小為： ΔR=R0*α(T2-T1)/2 式中： α--電阻絲的電阻溫度系數。 此時，傳感器的電橋如圖6-19所示，RL為轉換器測量回路的輸入阻抗。 如果供給電橋的恒定電流為I，則上述橋路輸出的電壓信號E可表示為： E=IΔR*RL/(RL+R0) 由于轉換器測量回路的輸入阻抗RL一般很大，可以認為RL遠大于R0，所以上式可近似簡化為： E=IΔR (6-21) 整理是6-19~6-21，最后可得當氣體流過測量管時，傳感器電橋輸出的電壓信號為： E=[IR0α(T-T0)cp*qm]/A=Kcp*qm (6-22) 式中：K=[IR0α(T-T0)]/A 從式6-22可知，只要K為常數，則傳感器輸出的流量信號E與乘積cp*qm成正比，當氣體比熱容恒定時，傳感器輸出的信號E與通過氣體的質量流量成正比。 總所周知，在相同的溫度和壓力下，1摩爾不同氣體占有相同的體積。在標準狀態下（壓力位1個標準大氣壓和溫度為0℃），任何1摩爾不同氣體都占有體積V0=22.41L。相對分子質量為μ的M克氣體占有標準體積V=MV0/μ,而質量流量qm=M/t,所以 E=(KcpμV)/V0t=(K/V0)*cm*qv=K1*cm*qv (6-23) 式中，cm=cpμ，為摩爾比熱容；qv=V/t,為標準體積流量成正比。 理想氣體的比熱容和摩爾比熱容不隨溫度、壓力變化而變化，實際氣體的比熱容和摩爾比熱容收溫度、壓力的影響，但變化比較小。熱分布型TMF正是基于氣體的這種物理特性使得傳感器的輸出信號在一定的流量范圍內與氣體的質量流量或標準體積流量成正比。 ②熱分布型熱式質量流量計的結構與分類 ③ 熱分布型熱式質量流量計的特點 A.熱分布型熱式質量流量計的優點 B熱分布型熱式質量流量計的缺點 ④熱分布型熱式質量流量計的使用 4.邊界層流量計 ① 邊界層流量計測量原理 ② 邊界層流量計存在的問題
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