热式气体质量流量计工作原理详解：你需要知道的核心技术

热式气体质量流量计是一种基于热传导原理直接测量气体质量流量的仪表。它最大的优势在于无需温度压力补偿，直接输出标准状态下的质量流量，非常适合过程控制、能源计量和泄漏检测。

一、核心工作原理：国王的吹风故事

想象一个国王坐在宝座上（热源），他的两个仆人（温度传感器）站在他前面和后面。当没有风时，两个仆人感受到国王的“热量”是一样的。当有风从前面吹来时，前面的仆人感觉更热（因为风把热量带向他），后面的仆人感觉更冷（热量被风带走了）。风越大，这种温差就越大。

映射到仪表上：

• 国王 = 一个被加热的元件（加热体）。

• 仆人 = 检测温度变化的传感器（测温体）。

• 风 = 流动的气体。

• 温差 = 气体质量流量的度量。

二、两种主流技术方案详解

热式气体质量流量计主要有两种实现方式，其物理原理相同，但技术路径不同。

方案A：恒功率法

• 原理：保持加热元件的加热功率恒定，测量由于气体流动引起的温度变化（ΔT）。

• 结构：在气体流道中放置两个探头或一个复合探头，一个被加热（热端RTD），另一个感应流体初始温度（冷端RTD）。

• 工作过程：

  1. 无流量时，两个探头之间有稳定的温差ΔT₀。

  2. 气体开始流动，带走加热元件的热量，导致热端温度降低，冷端因被上游气流加热温度略有升高，因此两者温差ΔT减小。

  3. 流量越大，温差ΔT越小。通过测量ΔT的变化，即可计算出质量流量。

• 特点：

  • 结构相对简单。

  • 在小流量区灵敏度极高。

  • 在超大流量时，ΔT会变得非常小，导致测量上限受限。

方案B：恒温差法

• 原理：保持加热元件与流体之间的温差恒定，测量为维持该温差所需的加热功率。

• 结构：通常也有两个RTD，一个作为测温体感应气体温度，另一个既作为加热体又作为测温体。

• 工作过程：

  1. 电路控制始终让加热体温度比气体温度高一个固定的值（例如50°C）。

  2. 无流量时，维持该温差只需要很小的加热功率P₀。

  3. 气体开始流动，流动的气体会不断“吹走”加热体的热量，试图降低其温度。

  4. 为了维持恒定的温差，控制系统必须立即增加加热功率来“对抗”气体的冷却效应。

  5. 流量越大，需要补充的加热功率P就越大。通过测量加热功率P的变化，即可直接、线性地计算出质量流量。

• 特点：

  • 响应速度极快。

  • 量程比极宽（可达1000:1），既能测极低流速（如0.1 m/s），也能测高流速。

  • 技术更先进，是目前工业应用的主流。

  • 功耗会随流量增大而增加。

三、你必须知道的核心技术要点

1. 直接测量质量流量，而非体积流量

   • 加热元件散失的热量与气体的质量（分子数量）和其热力学性质有关。公式中关联的是质量流量 qmqm​ ，而不是体积流量 qvqv​。因此它不受环境温度、压力变化的影响，输出就是标准状态下的质量流量（如kg/h， Nm³/h），省去了昂贵的温压补偿系统。

2. 对气体组分的敏感性

   • 这是该技术的“双刃剑”。仪表的标定曲线是针对特定气体组分的。因为不同气体的比热容（Cp） 不同。例如，用标定过空气的流量计测量氢气，由于氢气的比热容是空气的14倍多，会带走多得多的热量，导致读数严重偏高。

   • 应用关键：必须已知并固定气体成分，或者在仪表中内置多组分切换/补偿算法。

3. “速度式”与“浸入式”安装

   • 速度式：安装在管道中，测量管道中某一点或某一区域的流速，再乘以截面积得到总流量。适用于中大口径管道。

   • 质量式：通常作为旁路或毛细管式。大部分气体流经主通道，一小部分流经一个精心设计的、装有传感元的毛细管。通过测量旁路的质量流量，按比例推算出总质量流量。这种方式精度更高，对安装条件不敏感，适用于小流量或需要高精度的场合。

4. 无可动部件，压力损失极小

   • 传感器只是一个或几个探杆，对流场的阻碍极小，因此产生的永久压损几乎可以忽略不计，节能效果显著。

5. 出色的低流量灵敏度

   • 在低流速甚至静止状态下，热扩散效应最明显，因此该技术对极低流速（如0.1 m/s以下的泄漏流量） 的检测能力远超涡轮、涡街等传统流量计。

四、主要优点与局限

优点：

• 直接测量质量流量，无需温压补偿。

• 量程比极宽，尤其擅长低流量测量。

• 无活动部件，可靠性高，维护量小。

• 压力损失极小。

• 响应速度快。

局限/注意事项：

• 气体组分必须已知且稳定，这是最重要的前提。

• 不适合测量容易结垢、沉积或脏污的气体，灰尘或油污附着在探头上会严重破坏传热，导致测量失准。

• 探头机械强度相对较弱，在高速含颗粒物的气流中可能因磨损或振动损坏。

• 早期产品对震动较敏感，现代设计已大幅改善。

五、典型应用领域

• 压缩空气系统：能源计量与泄漏检测（是其最大应用市场）。

• 锅炉与燃烧器：助燃风、燃气流量控制。

• 半导体行业：高纯工艺气体（如Ar, N₂, H₂）的精密测量。

• 环保与能源：烟气排放监测（CEMS）、沼气、氢气计量。

• 实验室与研发：对气体流量进行精密控制和测量。

• ** HVAC**：通风管道风量测量。

总结来说，热式气体质量流量计的核心技术是利用流动气体与加热元件之间的热交换关系，通过恒温差或恒功率的电子控制策略，将气体的质量流量直接转化为电信号。其“直接测质量”、“宽量程”、“低压损”的优势，使其在气体测量领域占据了不可替代的地位，但使用时务必牢记其对“气体组分”和“介质洁净度”的要求。如想了解更多流量计相关信息或者流量计选型，可咨询艾丝特流量计厂家技术客服：180 1926 2426（微信同号）获取帮助。