[科普中國(guó)]-熱導(dǎo)示流器

熱導(dǎo)示流器是采用熱傳遞原理測(cè)量并顯示液體狀態(tài)的傳感器，故而叫熱導(dǎo)示流器，由于其輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，所以也常稱為熱導(dǎo)流量開(kāi)關(guān)。

概述流量開(kāi)關(guān)主要是在水、氣、油等介質(zhì)管路在線或者插入式安裝中起到在流量高于或者低于某一個(gè)值的時(shí)候觸發(fā)開(kāi)關(guān)輸出報(bào)警信號(hào)，系統(tǒng)獲取信號(hào)后即可做出相應(yīng)的執(zhí)行單元?jiǎng)幼?。流量開(kāi)關(guān)分為好幾種類型，下面介紹其中一種熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)。

熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)是針對(duì)水電站冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑油系統(tǒng)流量監(jiān)測(cè)控制而開(kāi)發(fā)的電子產(chǎn)品。該產(chǎn)品基于熱擴(kuò)散原理，根據(jù)熱擴(kuò)散的大小檢測(cè)流量大小，當(dāng)液體流量超過(guò)用戶設(shè)定值后繼電器動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的檢測(cè)和控制，故而叫熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)，也有人稱做熱導(dǎo)示流器、熱導(dǎo)流量開(kāi)關(guān)或熱導(dǎo)式流量控制器等。其改善了傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、設(shè)置值易漂移及小流量狀態(tài)不穩(wěn)定的缺陷，可適合多種介質(zhì)流量監(jiān)測(cè)的場(chǎng)合。

熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)有抗污能力強(qiáng)，適用于多種介質(zhì)、耐壓高、防護(hù)等級(jí)(IP)高以及安裝簡(jiǎn)單等。缺點(diǎn)則是響應(yīng)時(shí)間稍長(zhǎng)。

目前，隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，熱式流量開(kāi)關(guān)已經(jīng)普遍使用在測(cè)量流量的各行各業(yè)，如石油化工、電廠、冶金、船廠、電子廠、設(shè)備廠、容器罐及鍋爐廠等，必將逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)械式流量開(kāi)關(guān)。1

原理當(dāng)前市場(chǎng)上的熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)，其實(shí)現(xiàn)原理可分為熱分布式工作原理和金氏定律侵入式工作原理。本文主要介紹后者，金式定律的實(shí)現(xiàn)方法又分為恒功率法和恒溫差法。1

熱分布式工作原理熱分布式工作原理是在測(cè)量管外壁上下游各兩繞組加熱/檢測(cè)線圈，兩線圈通以恒定電流加熱，無(wú)流量靜止時(shí)，兩線圈中心上下游溫度分布處于對(duì)稱平衡狀態(tài)，兩組檢測(cè)線圈的電相等，有流量流動(dòng)時(shí)，流體將上游管壁熱量帶走傳遞給下游管壁，破壞原平衡狀態(tài)，線圈電阻產(chǎn)生差異，檢測(cè)其差值，求得流體質(zhì)量流量。1

金氏定律侵入式工作原理金氏定律侵入式工作原理是指將兩個(gè)溫度傳感器，一般采用熱敏電阻，將熱敏電阻分別置于管道的流體中，由其中一個(gè)鉑電阻測(cè)得流體本身的溫度T，另一鉑電阻經(jīng)一定功率的電熱加熱，其溫度丁，高于T，當(dāng)流體靜止時(shí)其溫度最高，伴隨著管道中流體流量的增加，流體流動(dòng)帶走更多熱量使T。溫度降低，即可從溫度差求取流量值。在基于金氏定律侵入式工作原理的熱式質(zhì)量流量計(jì)中，對(duì)于鉑電阻的加熱方式，最常見(jiàn)和應(yīng)用最廣的實(shí)現(xiàn)方式為恒功率法和恒溫差法。

金氏定律是表征熱式質(zhì)量流量計(jì)測(cè)量計(jì)算所特有的函數(shù)，它體現(xiàn)了流量計(jì)傳感器的熱損耗，加熱能耗與流體流速，流體特性，管道管徑等相關(guān)因素之間的線性關(guān)系，是TMF熱式質(zhì)量流量計(jì)的基礎(chǔ)定律。金氏定律的熱絲熱散失率表述各參量問(wèn)的關(guān)系，如下式所示：

其中為單位長(zhǎng)度熱散失率，為熱絲高于自由流束的平均升高溫度，為流體的熱導(dǎo)率，為定容比熱容，為密度，為流體的流速，為熱絲直徑。

金氏定律的典型模型如圖1所示。1

恒功率法恒功率加熱方式是在加熱電路上用一個(gè)恒定功率的電能對(duì)鉑電阻進(jìn)行加熱的，流體介質(zhì)在靜態(tài)時(shí)，被加熱的鉑電阻和沒(méi)有被加熱的鉑電阻之間的溫度差最大，隨著流體介質(zhì)的流動(dòng)，被加熱的鉑電阻上溫度降低，則兩個(gè)鉑電阻之問(wèn)的溫差減小?；诤愎β试淼臒崾劫|(zhì)量流量計(jì)則是通過(guò)測(cè)量溫差的變化來(lái)獲得流體介質(zhì)流量的變化的。

如圖2所示是將溫差信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)能夠處理的電壓信號(hào)的測(cè)量電路。A1為電橋放大，A2與Rc組成溫度補(bǔ)償及調(diào)零電路，A3為增益放大，A4和A5是電壓跟隨器。電路工作的基本原理為：分別將兩支半導(dǎo)體熱敏電阻接人惠斯登電橋的兩個(gè)臂，質(zhì)量流量信號(hào)經(jīng)半導(dǎo)體熱敏電阻轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，電橋測(cè)量電路則將電阻值的相對(duì)變化量轉(zhuǎn)換為電橋的不平衡電壓輸出，送到電橋放大器A1的兩個(gè)輸入端，再經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償、調(diào)零、濾波、線性放大，得到可以接人單片機(jī)的電壓信號(hào)U。

流量為零時(shí)，Rc被加熱，溫度達(dá)到最大值，Ra和Rb之間的溫差最大，此時(shí)Ra的電阻值最小(半導(dǎo)體熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù))，2點(diǎn)電壓最高，1點(diǎn)和2點(diǎn)之間的電壓差最大，電路輸出U最小。當(dāng)有流體流經(jīng)Ra時(shí)，Ra溫度降低，與Rb問(wèn)溫差減小，電阻值增大，2點(diǎn)電壓降低，1點(diǎn)和2點(diǎn)之間的電壓差減小，輸出U增大。流量越大，Ra的溫度降低幅度越大，U值變化越大。通過(guò)調(diào)整電路參數(shù)，使得信號(hào)輸出范圍為0～2．4V。在相同的氣體質(zhì)量流量
下，環(huán)境溫度改變會(huì)導(dǎo)致未加熱半導(dǎo)體熱敏電阻R。阻值的變化，從而使傳感器的輸出信號(hào)發(fā)生改變，引起測(cè)量誤差。因而必須對(duì)由于環(huán)境溫度變化而引起流量傳感器輸出信號(hào)變化的情況進(jìn)行修正，即溫度補(bǔ)償。

在圖3中，Rc為和探頭電阻同樣的負(fù)溫度系數(shù)的半導(dǎo)體熱敏電阻，它與未被加熱電阻尺。處于相同的環(huán)境中。假設(shè)環(huán)境溫度升高，則t升高，Rb減小，2點(diǎn)電壓降低，導(dǎo)致A1輸出端3點(diǎn)電壓降低，此時(shí)Rc的電阻也減小，使4點(diǎn)電壓降低。通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整R15，R16使3，4兩點(diǎn)的減小幅度相同，經(jīng)過(guò)A2的差動(dòng)放大抵消溫度的影響。圖3是測(cè)量電路的組成結(jié)構(gòu)圖。

恒溫差法恒溫差加熱方式是先加熱一只鉑電阻，使其比不加熱的鉑電阻高出一個(gè)恒定的溫度。隨著流體介質(zhì)的流動(dòng)，被加熱的鉑電阻由于散熱溫度會(huì)降低，通過(guò)反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流(也可以是電壓)來(lái)保持其溫差為恒定值，再通過(guò)檢測(cè)變化的電流(或電壓)來(lái)獲得流量的變化值。

如圖4所示為恒溫差式熱式流量計(jì)的A/D采樣電路。A/D轉(zhuǎn)換調(diào)理電路中采用了增強(qiáng)型高速低功耗精密雙運(yùn)算放大器TLE2202器件。TLE2202的失調(diào)電壓很低，其最大值為150μV，其隨時(shí)間漂移的典型值為0．005μV/mo。這種低溫漂的TLE2202是選擇其作為A/D采樣調(diào)理電路的主要原因。1

熱導(dǎo)式流量開(kāi)關(guān)的主要應(yīng)用流量開(kāi)關(guān)可對(duì)管道中的液體流動(dòng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，提供開(kāi)關(guān)量輸出，并采用LED或者其他方式實(shí)時(shí)顯示流體流速狀態(tài)?？杀O(jiān)控管道內(nèi)流體的流速大小、斷流監(jiān)測(cè)或防止泵的空轉(zhuǎn)。廣泛應(yīng)用于各行業(yè)需要對(duì)管道內(nèi)流體流速監(jiān)控或在液體流量故障時(shí)保護(hù)重要設(shè)備的場(chǎng)合。1

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)