熱線式氣體質量流量計原理與應用

在工業製程、能源管理與環境量測等領域中，氣體流量與風速量測是重要的基礎量測項目。其中，熱線式氣體質量流量計因具有高靈敏度、低流速量測能力佳、反應速度快等特性，被廣泛應用於各類工業氣體流量量測與風速量測系統中。

相較於傳統差壓式或機械式流量計，熱線式量測技術可直接反映氣體流速變化，並具備高解析度與良好的重複性，因此在工業製程控制、節能管理與排氣系統量測中具有重要應用價值。

熱線式風速計量測原理

熱線式風速計的基本原理，是利用加熱元件與流體之間的熱交換關係來量測流速。感測元件中的金屬線通電後會產生熱能，使其溫度高於周圍氣體。當氣流流經感測元件時，會帶走部分熱量，造成熱線溫度下降。

由於金屬線的電阻會隨溫度變化，因此透過量測電阻、電壓或電流的變化，即可推算氣體流速，進一步換算為氣體流量訊號。

簡單來說，熱線式量測原理可概括為以下過程：

因此，氣流速度越高，帶走的熱量越多，感測器輸出訊號的變化也越明顯。

依據控制方式不同，熱線式風速計通常可分為三種型式：

其中，CTA 恆溫式熱線風速計是常見的設計方式。在恆溫控制模式下，系統會透過調整輸入電流，使熱線溫度維持在固定值。當氣流速度改變時，維持恆溫所需的電功率也會隨之改變，因此可藉由量測電功率變化來推算流速。

其熱平衡關係可由 King’s law 表示：

e² = a' + b'vⁿ

其中：

透過此關係式，可建立感測器輸出與流速之間的特性曲線，作為後續訊號換算與校正依據。

相較於其他氣體流量量測方式，熱線式氣體質量流量計具有以下技術特點：

此外，熱線式量測技術具有優異的頻率響應特性與空間解析能力，因此常被用於紊流或快速變化氣流的量測分析。在實際應用中，透過溫度補償與訊號線性化處理，亦可進一步提升量測穩定性與準確度。

由於熱線式量測技術可直接反映氣體流速變化，因此被廣泛應用於多種工業氣體流量量測場景。

熱線式氣體質量流量計是以氣體流動帶走熱量的原理進行量測，能夠高靈敏度地反映氣流速度變化。憑藉其低流速量測能力、高解析度、快速反應與良好重複性，在工業氣體流量量測、製程控制與環境量測等領域中具有廣泛應用。

隨著工業自動化、節能管理與智慧製造需求持續提升，高精度的氣體流量量測技術也將在更多應用場域中扮演關鍵角色。

部分內容引用臺灣科大自控所與宇田控制科技合作檔－熱線式風速感測器自動線性校正系統