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  • 熱式原理氣體質量流量計涉及的主要數學物理知識是什么?
    2023 / 04 / 27

    接下來我們進一步分析一下三種散熱的基本機理,以及與流量測量的關系。對于(探頭與被測氣體的對流換熱量)是我們需要的,我們希望它占總換熱量的比例越高越好,如果能無限接近于100%是最好的,這也是工程設計上不斷追求的,當然越是接近難度越大。對于(金屬探頭的安裝結構和導線導致的導熱)代表的導熱是熱式氣體質量流量計的主要誤差來源。導熱散熱占比越大,引入的誤差就越大。因為導熱量在不同的工況下無法得到準確值,所以在修正過程中無法完全消除。為較小導熱帶來的誤差,最好的辦法是盡量減小導熱在總換熱量的比例,工程上這是一個不斷趨近于0的過程。同樣的越是接近越難達到。對于Qf(探頭對外界空間的輻射換熱量)代表空間輻射,它向四面八方進行,所以對于流量測量也屬于誤差來源,需要盡量消除。值得慶幸的是,由于發熱塊的溫度對于輻射來說還不算太高,所以在誤差分析中,它比導熱帶來的誤差要小,一般在工程上可以忽略。

    通過上述分析可以看到,影響熱式質量流量計精度的主要因素是對流換熱量,誤差項。實際情況是,就算沒有導熱損失,同樣無法得到絕對精確的流量。為什么呢?
    因為目前的科學技術還不夠發達,對流體換熱的理論研究還不完整,無法進行準確的計算,幾乎所有的數學公式都是半經驗性的,想知道原因我們接著往下看。
    根據牛頓冷卻公式,我們可以把對流換熱量表述為如下公式:

    其中是對流換熱量,h是對流換熱系數(這個系數包含了太多的東西,后邊會詳細介紹),是氣體來流與金屬探頭的溫差或平均溫差。假設沒有導熱損失,又把輻射損失忽略掉,那么公式1中就削去了兩項,再將公式2帶入公式1,那么可以得到如下公式:

    對于電阻加熱的加熱金屬探頭的加熱功率有如下關系式:

    那么將公式4帶入公式3會得到公式5,如下:

    其中I是電流可以測量,R是電阻也可以測量,A是金屬探頭的換熱面積可以確定,是溫差可以通過溫度傳感器測量。那么如果氣體流量與對流換熱系數有一固定的準確對應關系,并且能被我們清楚的知道,那么熱式流量計就成功了。

    是否真有這樣的一個關系呢?
    為了繼續探究真理,不被各位看官恥笑為路邊攤的偽科普,在這里我們必須進一步深入的研究。后邊的內容需要一些專業知識,我盡量講得通俗易懂一些了。
    根據傳熱學的基本原理有如下公式:

     

    托馬斯流量計的基本原理圖  圖3

    FCI熱式流量開關  圖4

    以上三個為無量綱參數,適用于計算傳熱系數的中間變量。其中為被測氣體的熱導率;為氣體的定壓比熱容;為氣體的動力粘度;為氣體密度;為氣體流速;為金屬探頭直徑。它們三個無量綱參數之間有如下關系:

    將公式6改換一種形式可以寫為:

    將公式10帶入公式5可以得到理想熱平衡情況下加熱量與對流換熱量的關系式:

    定義為流體溫度,定義為金屬探頭外壁面溫度,則上式可以改寫為:

    將公式9帶入公式12,可以得到如下關系式:

    公式13中這個函數關系式是經驗性的,不同的金屬探頭形狀,不同的流場,不同的氣體工質都會導致這個函數關系式的變化,所以這個函數并不是固定的。同時這些參數都與壓力、溫度和工作介質有關。所以傳熱學的公式就是半經驗式的,需要大量的實驗數據使得公式封閉,這個工作量非常大,以至于要么犧牲性能要么犧牲精度和適用范圍。國外從1903年開始研制熱式流量計(托馬斯熱線式流量計),到1964年FCI(FLUID COMPONENTS INTL)研制出第一臺熱式質量流量開關(一種精度不高的流量計)已經花費了半個多世紀。上個世紀50年代到60年代,美國和蘇聯進行太空爭霸,需要用于衛星的研制等離子體動機,發動機地面測試需要高精度的微流量計,美國NASA(美國國家航空航天局)的科學家研制了毛細管式熱式質量流量計(如圖5),毛細管式熱式質量流量計適用于高精度小微流量測量,也是目前半導體、新材料、航空航天等高端領域的主流應用產品。Vanputten在1974年首次利用利用硅技術制作出流量傳感器,之后國外一些研究機構開始致力于集成熱式氣體流量傳感器的研究(原理如圖7所示)。進入上世紀90年代,由于基于半導體工藝的微加工工藝和微電子技術逐步成熟,微型流量傳感器逐漸發展起來,主要應用于汽車發動機進氣測量等對價格尺寸比較敏感的行業(如圖8所示)。在過去的超過一百年的時間里,國外企業和研究機構積累了大量的數據,這些數據構成了熱式流量計的精度保證基礎。由于進一步顯著提高熱式質量流量計性能需要巨量的數據,所以現有熱式流量計已經逼近了工程極限。

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