热式原理气体质量流量计涉及的主要数学物理知识是什么?
2023 / 04 / 27

接下来我们进一步分析一下三种散热的基本机理,以及与流量测量的关系。对于(探头与被测气体的对流换热量)是我们需要的,我们希望它占总换热量的比例越高越好,如果能无限接近于100%是最好的,这也是工程设计上不断追求的,当然越是接近难度越大。对于(金属探头的安装结构和导线导致的导热)代表的导热是热式气体质量流量计的主要误差来源。导热散热占比越大,引入的误差就越大。因为导热量在不同的工况下无法得到准确值,所以在修正过程中无法完全消除。为较小导热带来的误差,最好的办法是尽量减小导热在总换热量的比例,工程上这是一个不断趋近于0的过程。同样的越是接近越难达到。对于Qf(探头对外界空间的辐射换热量)代表空间辐射,它向四面八方进行,所以对于流量测量也属于误差来源,需要尽量消除。值得庆幸的是,由于发热块的温度对于辐射来说还不算太高,所以在误差分析中,它比导热带来的误差要小,一般在工程上可以忽略。

通过上述分析可以看到,影响热式质量流量计精度的主要因素是对流换热量,误差项。实际情况是,就算没有导热损失,同样无法得到绝对精确的流量。为什么呢?
因为目前的科学技术还不够发达,对流体换热的理论研究还不完整,无法进行准确的计算,几乎所有的数学公式都是半经验性的,想知道原因我们接着往下看。
根据牛顿冷却公式,我们可以把对流换热量表述为如下公式:

其中是对流换热量,h是对流换热系数(这个系数包含了太多的东西,后边会详细介绍),是气体来流与金属探头的温差或平均温差。假设没有导热损失,又把辐射损失忽略掉,那么公式1中就削去了两项,再将公式2带入公式1,那么可以得到如下公式:

对于电阻加热的加热金属探头的加热功率有如下关系式:

那么将公式4带入公式3会得到公式5,如下:

其中I是电流可以测量,R是电阻也可以测量,A是金属探头的换热面积可以确定,是温差可以通过温度传感器测量。那么如果气体流量与对流换热系数有一固定的准确对应关系,并且能被我们清楚的知道,那么热式流量计就成功了。

是否真有这样的一个关系呢?
为了继续探究真理,不被各位看官耻笑为路边摊的伪科普,在这里我们必须进一步深入的研究。后边的内容需要一些专业知识,我尽量讲得通俗易懂一些了。
根据传热学的基本原理有如下公式:

 

托马斯流量计的基本原理图  图3

FCI热式流量开关  图4

以上三个为无量纲参数,适用于计算传热系数的中间变量。其中为被测气体的热导率;为气体的定压比热容;为气体的动力粘度;为气体密度;为气体流速;为金属探头直径。它们三个无量纲参数之间有如下关系:

将公式6改换一种形式可以写为:

将公式10带入公式5可以得到理想热平衡情况下加热量与对流换热量的关系式:

定义为流体温度,定义为金属探头外壁面温度,则上式可以改写为:

将公式9带入公式12,可以得到如下关系式:

公式13中这个函数关系式是经验性的,不同的金属探头形状,不同的流场,不同的气体工质都会导致这个函数关系式的变化,所以这个函数并不是固定的。同时这些参数都与压力、温度和工作介质有关。所以传热学的公式就是半经验式的,需要大量的实验数据使得公式封闭,这个工作量非常大,以至于要么牺牲性能要么牺牲精度和适用范围。国外从1903年开始研制热式流量计(托马斯热线式流量计),到1964年FCI(FLUID COMPONENTS INTL)研制出第一台热式质量流量开关(一种精度不高的流量计)已经花费了半个多世纪。上个世纪50年代到60年代,美国和苏联进行太空争霸,需要用于卫星的研制等离子体动机,发动机地面测试需要高精度的微流量计,美国NASA(美国国家航空航天局)的科学家研制了毛细管式热式质量流量计(如图5),毛细管式热式质量流量计适用于高精度小微流量测量,也是目前半导体、新材料、航空航天等高端领域的主流应用产品。Vanputten在1974年首次利用利用硅技术制作出流量传感器,之后国外一些研究机构开始致力于集成热式气体流量传感器的研究(原理如图7所示)。进入上世纪90年代,由于基于半导体工艺的微加工工艺和微电子技术逐步成熟,微型流量传感器逐渐发展起来,主要应用于汽车发动机进气测量等对价格尺寸比较敏感的行业(如图8所示)。在过去的超过一百年的时间里,国外企业和研究机构积累了大量的数据,这些数据构成了热式流量计的精度保证基础。由于进一步显著提高热式质量流量计性能需要巨量的数据,所以现有热式流量计已经逼近了工程极限。

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