熱導示流器

熱導示流器是採用熱傳遞原理測量並顯示液體狀態的感測器，故而叫熱導示流器，由於其輸出信號為開關量，所以也常稱為熱導流量開關。

基本介紹

• 中文名：熱導示流器
• 外文名：Thermal conductivity indicator
• 原理：熱擴散原理
• 別名：熱導示流器、熱導流量開關
• 類別：工業產品

概述

流量開關主要是在水、氣、油等介質管路線上或者插入式安裝中起到在流量高於或者低於某一個值的時候觸發開關輸出報警信號，系統獲取信號後即可做出相應的執行單元動作。流量開關分為好幾種類型，下面介紹其中一種熱導式流量開關。

熱導式流量開關是針對水電站冷卻系統、潤滑油系統流量監測控制而開發的電子產品。該產品基於熱擴散原理，根據熱擴散的大小檢測流量大小，當液體流量超過用戶設定值後繼電器動作，實現對流量的檢測和控制，故而叫熱導式流量開關，也有人稱做熱導示流器、熱導流量開關或熱導式流量控制器等。其改善了傳統機械產品結構複雜、設定值易漂移及小流量狀態不穩定的缺陷，可適合多種介質流量監測的場合。

熱導式流量開關的優點有抗污能力強，適用於多種介質、耐壓高、防護等級(IP)高以及安裝簡單等。缺點則是回響時間稍長。

目前，隨著電子技術的不斷發展，熱式流量開關已經普遍使用在測量流量的各行各業，如石油化工、電廠、冶金、船廠、電子廠、設備廠、容器罐及鍋爐廠等，必將逐步取代傳統的機械式流量開關。

原理

當前市場上的熱導式流量開關，其實現原理可分為熱分散式工作原理和金氏定律侵入式工作原理。本文主要介紹後者，金式定律的實現方法又分為恆功率法和恆溫差法。

熱分散式工作原理

熱分散式工作原理是在測量管外壁上下游各兩繞組加熱/檢測線圈，兩線圈通以恆定電流加熱，無流量靜止時，兩線圈中心上下游溫度分布處於對稱平衡狀態，兩組檢測線圈的電相等，有流量流動時，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，線圈電阻產生差異，檢測其差值，求得流體質量流量。

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溫度感測器，一般採用熱敏電阻，將熱敏電阻分別置於管道的流體中，由其中一個鉑電阻測得流體本身的溫度T，另一鉑電阻經一定功率的電熱加熱，其溫度丁，高於T，當流體靜止時其溫度最高，伴隨著管道中流體流量的增加，流體流動帶走更多熱量使T。溫度降低，即可從溫度差求取流量值。在基於金氏定律侵入式工作原理的熱式質量流量計中，對於鉑電阻的加熱方式，最常見和套用最廣的實現方式為恆功率法和恆溫差法。

金氏定律是表征熱式質量流量計測量計算所特有的函式，它體現了流量計感測器的熱損耗，加熱能耗與流體流速，流體特性，管道管徑等相關因素之間的線性關係，是TMF熱式質量流量計的基礎定律。金氏定律的熱絲熱散失率表述各參量問的關係，如下式所示：

其中為單位長度熱散失率，為熱絲高於自由流束的平均升高溫度，為流體的熱導率，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。

圖1

恆功率法

恆功率加熱方式是在加熱電路上用一個恆定功率的電能對鉑電阻進行加熱的，流體介質在靜態時，被加熱的鉑電阻和沒有被加熱的鉑電阻之間的溫度差最大，隨著流體介質的流動，被加熱的鉑電阻上溫度降低，則兩個鉑電阻之問的溫差減小。基於恆功率原理的熱式質量流量計則是通過測量溫差的變化來獲得流體介質流量的變化的。

圖2

如圖2所示是將溫差信號轉變為單片機能夠處理的電壓信號的測量電路。A1為電橋放大，A2與Rc組成溫度補償及調零電路，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：分別將兩支半導體熱敏電阻接人惠斯登電橋的兩個臂，質量流量信號經半導體熱敏電阻轉變為電信號，電橋測量電路則將電阻值的相對變化量轉換為電橋的不平衡電壓輸出，送到電橋放大器A1的兩個輸入端，再經過溫度補償、調零、濾波、線性放大，得到可以接人單片機的電壓信號U。

流量為零時，Rc被加熱，溫度達到最大值，Ra和Rb之間的溫差最大，此時Ra的電阻值最小(半導體熱敏電阻具有負溫度係數)，2點電壓最高，1點和2點之間的電壓差最大，電路輸出U最小。當有流體流經Ra時，Ra溫度降低，與Rb問溫差減小，電阻值增大，2點電壓降低，1點和2點之間的電壓差減小，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。通過調整電路參數，使得信號輸出範圍為0～2．4V。在相同的氣體質量流量
下，環境溫度改變會導致未加熱半導體熱敏電阻R。阻值的變化，從而使感測器的輸出信號發生改變，引起測量誤差。因而必須對由於環境溫度變化而引起流量感測器輸出信號變化的情況進行修正，即溫度補償。

在圖3中，Rc為和探頭電阻同樣的負溫度係數的半導體熱敏電阻，它與未被加熱電阻尺。處於相同的環境中。假設環境溫度升高，則t升高，Rb減小，2點電壓降低，導致A1輸出端3點電壓降低，此時Rc的電阻也減小，使4點電壓降低。通過試驗調整R15，R16使3，4兩點的減小幅度相同，經過A2的差動放大抵消溫度的影響。圖3是測量電路的組成結構圖。

圖3

恆溫差法

恆溫差加熱方式是先加熱一隻鉑電阻，使其比不加熱的鉑電阻高出一個恆定的溫度。隨著流體介質的流動，被加熱的鉑電阻由於散熱溫度會降低，通過反饋電路反饋到處理器增大加熱器的電流(也可以是電壓)來保持其溫差為恆定值，再通過檢測變化的電流(或電壓)來獲得流量的變化值。

如圖4所示為恆溫差式熱式流量計的A/D採樣電路。A/D轉換調理電路中採用了增強型高速低功耗精密雙運算放大器TLE2202器件。TLE2202的失調電壓很低，其最大值為150μV，其隨時間漂移的典型值為0．005μV/mo。這種低溫漂的TLE2202是選擇其作為A/D採樣調理電路的主要原因。

圖4

熱導式流量開關的主要套用

流量開關可對管道中的液體流動情況進行實時監控，提供開關量輸出，並採用LED或者其他方式實時顯示流體流速狀態。可監控管道內流體的流速大小、斷流監測或防止泵的空轉。廣泛套用於各行業需要對管道內流體流速監控或在液體流量故障時保護重要設備的場合。