熱式質(zhì)量流量計(jì) 熱式質(zhì)量流量計(jì)（Theermal Mass flowmeters,簡(jiǎn)稱(chēng)TMF）在國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱(chēng)為熱式流量計(jì)，是利用流體流過(guò)外熱源加熱的管道時(shí)產(chǎn)生的溫度場(chǎng)變化來(lái)測(cè)量流體質(zhì)量流量，或利用加熱流體時(shí)流體溫度上升某一值所需的能量與流體質(zhì)量之間的關(guān)系來(lái)測(cè)量流體質(zhì)量的一種流量?jī)x表。一般用來(lái)測(cè)量氣體的質(zhì)量流量。具有壓損低；流量范圍度大；高精度、高重復(fù)性和高可靠性；無(wú)可動(dòng)部件以及可用于極低氣體流量監(jiān)測(cè)和控制等特點(diǎn)。 1.托馬斯流量計(jì) 2. 浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì) 浸入型TMF是在原來(lái)熱線接觸式流量計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種堅(jiān)固型熱式質(zhì)量流量計(jì)，它解決了接觸式TMF在結(jié)構(gòu)上的缺陷，采用適用于工業(yè)應(yīng)用的堅(jiān)固的高可靠性傳感器，近二十多年來(lái)得到了很快的發(fā)展。 ① 浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)原理 ② 浸入型熱式質(zhì)量流量的分類(lèi) ③ 浸入型熱式質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn) 3.熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì) 從圖6-14的曲線可知，浸入型TMF工作在曲線的后半段，質(zhì)量流量與溫差ΔT成反比，不能用來(lái)測(cè)量微小流量。熱分布型TMF是近二十多年來(lái)發(fā)展起來(lái)的測(cè)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(nèi)，質(zhì)量流量與溫差ΔT成正比，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體制備、石油化工、冶金、制藥、原子能等工業(yè)中微小氣體流量測(cè)量。 ① 熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì)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(cè)量管的外壁上，對(duì)稱(chēng)繞制兩個(gè)具有較高溫度系數(shù)的電阻線圈，并與另外兩個(gè)電阻組成以直流電橋。電阻線圈既是加熱元件，有時(shí)測(cè)溫元件。電橋由專(zhuān)門(mén)的電阻線路（轉(zhuǎn)換器）供給恒定的電流，電阻絲產(chǎn)生的熱流加熱測(cè)量管和其內(nèi)部的氣體。當(dāng)無(wú)氣體通過(guò)時(shí)，在測(cè)量管上軸線的溫度分布是對(duì)稱(chēng)的。如圖6-18b虛線所示，上下游個(gè)電阻絲的平均溫度為T(mén)m，溫差為零；當(dāng)有氣體流過(guò)時(shí)，上游溫度下降，下游溫度上升，測(cè)量管軸向溫度分布曲線發(fā)生畸變，如圖6-18b實(shí)現(xiàn)所示，上西游個(gè)電阻絲的平均溫度為T(mén)1和T2，溫差為ΔT；當(dāng)流量趨向于無(wú)窮大時(shí)，由于電阻絲產(chǎn)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(jì)將不能正常工作。所以微小流量是這種流量計(jì)工作的必要條件。流量應(yīng)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(yīng)恢復(fù)到進(jìn)口溫度T0。 設(shè)T0為來(lái)流溫度，也即環(huán)境溫度；T1和T2分別為電阻絲通電加熱后上下游個(gè)電阻絲的平均溫度。 無(wú)氣體通過(guò)時(shí)，上下游個(gè)電阻絲的平均溫度為T(mén)m，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(nèi)部氣體的總熱傳遞系數(shù)。 此時(shí)管壁溫度分布對(duì)稱(chēng)，測(cè)量管中最高溫度在兩電阻絲之間中點(diǎn)位置。 當(dāng)管內(nèi)有氣體通過(guò)時(shí)，流動(dòng)的氣體將從上游帶給下游一部分熱量W1.顯然，W1與通過(guò)管道的氣體質(zhì)量流量qm；介質(zhì)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(cè)量管中的最高溫度。 如果通過(guò)測(cè)量管的氣體質(zhì)量流量足夠小，使測(cè)量管中氣體與加熱線圈及周?chē)h(huán)境有足夠的熱平衡時(shí)間，并且在傳感器的出口溫度恢復(fù)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(cè)量管上下游溫差的存在，使得上下游電阻絲產(chǎn)生一電阻差。為了便于分析，設(shè)： a:當(dāng)測(cè)量管中無(wú)氣體通過(guò)時(shí)，電阻橋路上個(gè)電阻絲的阻值相等，其值為R0； b:當(dāng)測(cè)量管中有氣體通過(guò)時(shí)，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(shù)。 此時(shí)，傳感器的電橋如圖6-19所示，RL為轉(zhuǎn)換器測(cè)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(hào)E可表示為： E=IΔR*RL/(RL+R0) 由于轉(zhuǎn)換器測(cè)量回路的輸入阻抗RL一般很大，可以認(rèn)為RL遠(yuǎn)大于R0，所以上式可近似簡(jiǎn)化為： E=IΔR (6-21) 整理是6-19~6-21，最后可得當(dāng)氣體流過(guò)測(cè)量管時(shí)，傳感器電橋輸出的電壓信號(hào)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(shù)，則傳感器輸出的流量信號(hào)E與乘積cp*qm成正比，當(dāng)氣體比熱容恒定時(shí)，傳感器輸出的信號(hào)E與通過(guò)氣體的質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下（壓力位1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)分子質(zhì)量為μ的M克氣體占有標(biāo)準(zhǔn)體積V=MV0/μ,而質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(hào)在一定的流量范圍內(nèi)與氣體的質(zhì)量流量或標(biāo)準(zhǔn)體積流量成正比。 ②熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與分類(lèi) ③ 熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì)的特點(diǎn) A.熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn) B熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì)的缺點(diǎn) ④熱分布型熱式質(zhì)量流量計(jì)的使用 4.邊界層流量計(jì) ① 邊界層流量計(jì)測(cè)量原理 ② 邊界層流量計(jì)存在的問(wèn)題
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