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热式质量流量计原理

来源：电子产品世界

2020-09-04

类别：基础知识

拍明

原标题：热式质量流量计原理

热式质量流量计是一种基于热传导原理直接测量流体质量流量的仪表，广泛应用于气体流量测量领域（如工业过程控制、环保监测、半导体制造等）。其核心原理是通过检测流体流动引起的热量变化，推导出流体的质量流量，具有压损小、响应快、可直接测量质量流量等优点。以下是热式质量流量计的详细原理、分类、关键技术及应用场景：

一、热式质量流量计的核心原理

热式质量流量计基于热扩散效应或恒温差原理，通过测量流体流动对热量的影响来计算质量流量。其核心物理关系可概括为：流体流动会带走热量，且热量损失与流体质量流量成正比。

1. 基本物理模型

热源与传感器：

流量计内部包含一个加热元件（如铂电阻丝或薄膜加热器）和两个温度传感器（上游和下游，或一个测温一个控温）。

热量传递机制：

当流体静止时，加热元件的热量均匀向四周扩散，温度分布对称。
当流体流动时，热量被流体带走，下游温度降低，上游温度升高（或通过恒温差控制维持特定温差），温度分布不对称。

关键公式：

根据热平衡方程，热量损失与质量流量的关系为：

	其中：
	- $ h $：对流换热系数（与流速相关）；
	- $ A $：加热元件表面积；
	- $ Delta T $：加热元件与流体的温差；
	- $ c_p $：流体比热容；
	- $ Delta T_{ ext{flow}} $：流体流动引起的温度变化。

通过标定可建立或功率与质量流量的线性关系。

2. 两种主要工作模式

恒温差法（恒功率控制）：

原理：保持加热元件与流体之间的温差恒定，通过调节加热功率来补偿流体带走的热量。
关系：加热功率与质量流量成正比，即。
优点：响应速度快，适用于低流量测量。
缺点：需精确控制温差，对电路设计要求高。

恒功率法（恒加热功率）：

原理：保持加热功率恒定，测量加热元件与流体之间的温差。
关系：温差与质量流量成反比，即。
优点：电路简单，成本低。
缺点：低流量时温差变化小，测量精度受限。

二、热式质量流量计的分类

1. 按传感器结构分类

热分布式（Thermal Profiling）：

加热元件和温度传感器分布在管道截面，通过测量截面温度分布推导流量。
适用于大口径管道或低流速场景。

浸入式（Immersion Type）：

传感器探头直接插入流体中，加热元件和温度传感器集成在探头内。
分为单点测量（探头中心）和多点测量（沿径向分布）。
适用于小口径管道或高流速场景。

2. 按检测方式分类

金氏定律（King's Law）型：

基于金氏定律（描述对流换热与流速的关系），通过测量加热元件电阻变化推导流量。
典型结构：两根铂丝（一根加热，一根测温）。

热膜式（Thermal Film）：

加热元件为薄膜结构（如铂薄膜），贴附在基底上，响应速度快。
适用于微小流量测量（如半导体工艺气体）。

热丝式（Hot Wire）：

加热元件为细金属丝（如钨丝），直接暴露在流体中。
结构简单，但易受流体污染影响。

3. 按应用场景分类

气体流量计：

专门用于测量气体（如空气、氮气、天然气），量程比可达100:1。

液体流量计：

用于测量低粘度液体（如水、酒精），但应用较少（因液体热容大，响应慢）。

微流量流量计：

测量范围低至0.1SCCM（标准毫升/分钟），用于实验室或半导体行业。

三、热式质量流量计的关键技术

1. 传感器材料与工艺

加热元件：

铂（Pt）是最常用材料，因其电阻温度系数稳定、耐腐蚀。
薄膜加热器（如溅射铂薄膜）可实现快速响应（响应时间<100ms）。

温度传感器：

铂电阻（PT100/PT1000）或热敏电阻（NTC/PTC），需与加热元件匹配。

封装工艺：

传感器探头需防腐蚀（如镀金、特氟龙涂层），并确保与流体良好热接触。

2. 恒温差控制技术

PID控制算法：

通过PID调节加热功率，维持加热元件与流体的温差恒定。
需优化参数以避免振荡或响应延迟。

惠斯通电桥电路：

用电桥平衡原理检测温差，将温度变化转换为电压信号。
典型电路：加热元件与测温电阻组成电桥，输出与流量相关的电压。

3. 抗干扰设计

温度补偿：

流体温度变化会影响热传导效率，需通过额外温度传感器进行补偿。
补偿公式：，其中为温度系数。

流速分布校正：

管道内流速不均匀（如湍流）会导致测量误差，需通过流体力学仿真或实验标定修正。

防污染设计：

探头表面涂覆防粘涂层（如特氟龙），或采用自清洁结构（如振动除污）。

4. 标定与校准

气体标定：

使用标准气体（如氮气）在已知流量下标定，建立功率/温差与质量流量的关系曲线。
标定装置：钟罩式气体流量标准装置或临界流文丘里喷嘴。

多参数标定：

考虑压力、温度、气体组分的影响，通过多维标定提高精度。

在线校准：

部分高端仪表支持通过内置算法在线修正漂移。

四、热式质量流量计的应用场景

1. 工业过程控制

燃烧控制：

测量燃气（天然气、液化气）流量，优化燃烧效率，减少排放。

化工反应：

精确控制反应气体流量（如氢气、氧气），确保反应稳定性。

食品包装：

测量包装机内氮气或二氧化碳流量，延长食品保质期。

2. 环保监测

烟气排放：

测量烟囱中SO₂、NOx等污染物气体流量，符合环保法规。

VOCs治理：

监测挥发性有机化合物（VOCs）处理设备的进气流量。

3. 半导体制造

特气输送：

测量高纯度气体（如SiH₄、NH₃）流量，精度要求达±0.5%FS。

真空系统：

在高真空环境下测量微量气体流量（如10⁻⁶ Torr）。

4. 医疗与生命科学

呼吸机：

测量患者吸入/呼出的气体流量，监测呼吸状态。

麻醉机：

精确控制麻醉气体（如异氟烷）流量，确保手术安全。

5. 能源与电力

燃气轮机：

测量燃料气流量，优化发电效率。

氢能领域：

测量加氢站或燃料电池的氢气流量。

五、热式质量流量计的选型要点

测量介质：

确认流体为气体（液体需特殊设计），并了解气体组分（影响比热容）。

流量范围：

选择量程比覆盖实际需求（如1:100），避免长期在低流量区使用。

精度要求：

普通工业场景精度±1%~±3%FS，高精度场景（如半导体）需±0.5%FS。

管道条件：

确认管道直径、材质（如不锈钢、PVC）及安装方式（法兰、螺纹）。

环境适应性：

户外场景需防爆、防水（如IP67），高温环境需耐温型（如-40℃~200℃）。

输出信号：

4~20mA（模拟输出）、RS485（数字输出）或无线通信（如LoRa）。

认证标准：

符合ATEX、IECEx等防爆认证，及SIL安全完整性等级要求。

六、典型案例

1. 工业气体流量计：FCI ST100

原理：恒温差法，双铂电阻传感器。
量程：0.01~1000 SLM（标准升/分钟）。
精度：±0.8%FS。
应用：石油化工、钢铁厂燃气测量。

2. 半导体特气流量计：Bronkhorst EL-FLOW Select

原理：热膜式，微机电系统（MEMS）传感器。
量程：0.1~500 SCCM。
精度：±0.5%RD（读数）。
应用：半导体蚀刻、沉积工艺。

3. 医疗呼吸机流量计：Honeywell Zephyr HAF

原理：热丝式，数字信号输出。
量程：0~200 SLPM（标准升/分钟）。
响应时间：<50ms。
应用：有创/无创呼吸机气流监测。

4. 环保烟气流量计：Sierra SteelMass 640S

原理：恒功率法，插入式探头。
量程：0.1~1000 Nm³/h（标准立方米/小时）。
防护等级：IP67，耐温200℃。
应用：电厂烟囱排放监测。

七、总结

热式质量流量计通过热传导效应直接测量气体质量流量，具有压损小、响应快、精度高等优势。其核心技术包括恒温差控制、传感器材料与工艺、抗干扰设计等。随着MEMS技术和物联网的发展，热式质量流量计正朝着微型化、智能化、网络化方向演进，例如集成蓝牙或NB-IoT模块的智能流量计可实现远程监控与数据分析，为工业4.0和智慧城市提供关键支持。

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