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熱式質(zhì)量流量計(jì)基本原理淺析
日期：2025-01-23 13:22
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摘要：
摘 要： 熱式質(zhì)量流量計(jì)基本原理同專線風(fēng)速計(jì)工作原理一樣，即：基于加熱傳感元件的對流傳熱。熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)加熱元件的不同，分為專線式和熱膜式。由于專線與熱膜流速計(jì)在原理上沒有根本差別，只是加熱元件不同而已。下面我們將以專線為代表進(jìn)行工作原理分析。
1 物理基礎(chǔ)——熱傳遞
強(qiáng)迫對流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。從物理上看，熱損耗相關(guān)的參量有：介質(zhì)的速度；介質(zhì)和專線之間的溫度差；介質(zhì)的物理特性，諸如密度、濃度、粘度和導(dǎo)熱；專線的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數(shù)、熱傳導(dǎo)率；專線的長度和直徑；介質(zhì)的可壓縮性；流動(dòng)方向和專線方向之間夾角。
在考慮上述因素的情況下，我們可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示如下[9]：
努謝爾（Nusselt）數(shù)；
為熱耗散；l為專線的長度；λf為流體的熱傳導(dǎo)率；Tw為專線的工作溫度；Ta為環(huán)境溫度，一般情況下為流體介質(zhì)溫度；Rw為專線在工作溫度Tw為時(shí)的電阻；d為專線的直徑；h為熱傳遞系數(shù)；Re=ud/γ雷諾數(shù)（Reynolds）；u為流動(dòng)速度；γ為運(yùn)動(dòng)粘度，其值為μ/ρ；μ為動(dòng)力粘度；ρ為流體密度；Pr=γ/α普朗特（Prandtl）數(shù)；α為熱擴(kuò)散系數(shù)；
格勒射夫（Grashof）數(shù)；g為重力加速度；β為膨脹系數(shù)；Mα=u/C馬赫（Mach）數(shù)；C為聲速；α為電阻溫度系數(shù)。
2 敏感元件
根據(jù)敏感元件類型，可以分為專線敏感元件、熱膜敏感元件、集成熱膜敏感元件和薄膜鉑電阻敏感元件。下面分別予以介紹。
2.1 專線敏感元件
專線敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。將金屬絲（即專線）焊到兩根叉桿上，叉桿的另一端為插接桿，中間為連接線，連接線外為保護(hù)罩，保護(hù)罩內(nèi)為絕緣填料。
根據(jù)專線敏感元件的選用標(biāo)準(zhǔn)，金屬絲的材料和尺寸選擇取決于靈敏度、空間分辨率和強(qiáng)度等方面的綜合要求，通常選用鎢絲或鍍鉑鎢絲作為專線敏感元件。金屬絲線徑d一般為4um～5um，*細(xì)可到0.25um。線長l一般為1.25mm，*短可達(dá)0.1mm。鎢絲強(qiáng)度好，熔點(diǎn)溫度高達(dá)3400℃，但容易氧化，因此只能用于250℃以下。鉑金絲易脆，抗拉程度僅為鎢絲的5.7%，但不易氧化。作為兩種材料相結(jié)合的鍍鉑鎢絲，兼具抗拉程度高，抗氧化程度強(qiáng)的雙重優(yōu)點(diǎn)。
專線敏感元件的機(jī)械強(qiáng)度不高，能承受的電流較小，因此不適宜在液體和帶有顆粒的氣體中工作。
2.2 熱膜敏感元件
為了將專線測量技術(shù)應(yīng)用到液體流量的測量，發(fā)展了熱膜敏感元件。它的機(jī)械強(qiáng)度較高，所以能適應(yīng)某些條件較惡劣的流場（如污水流動(dòng)的流場等）。熱膜敏感元件是由沉積在熱絕緣襯底（通常為石英）上的0.01um薄的鉑金屬或鎳膜構(gòu)成的。*一般的襯底形狀是圓錐型、楔型和圓柱型等。
熱膜敏感元件由熱膜、襯底、絕緣層和導(dǎo)線幾部分構(gòu)成。敏感元件膜是由確保敏感元件厚度能夠均勻的陰極濺射法沉積而成的。一個(gè)較厚的傳導(dǎo)材料層被用于把膜的終端連接到電子加熱電流源。膜通常覆蓋了具用1um～2um厚的石英沉積層（或類似的絕緣層）。這個(gè)覆蓋層保護(hù)了熱膜免于粒子摩擦并且對于液體中的熱膜探針提供了電絕緣。對于圓柱形熱膜探針來說，其直徑d約為25um～70um，長度l約為1mm～2mm。
2.3 集成熱膜敏感元件
基于微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystem）技術(shù)，利用濺射方法在半導(dǎo)體硅片或玻璃底片上形成三個(gè)鉑薄膜電阻，它們分別是微加熱器、加熱器溫度控制器、溫度傳感器。其工作原理是以加熱器和流體的熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算加熱器的熱量損失來確定流量。
集成熱膜敏感元件具有靈敏度高，幾何尺寸小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。這種微型傳感器穩(wěn)定性好，精度高，壓損小，一致性好，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。
2.4 薄膜鉑電阻敏感元件
薄膜鉑電阻的制作與熱膜敏感元件基本類似，即將金屬鉑在真空條件下，采用濺射的方法沉積于陶瓷或玻璃基片上，并經(jīng)刻劃、引線、涂釉、燒結(jié)退火等工藝制成。
薄膜鉑電阻作為一種**的測溫元件，具有尺寸小、響應(yīng)快、易于與集成電路相匹配的特點(diǎn)，且具有測溫范圍寬、精度高、線性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于化工、能源、機(jī)電、航空航天、國防等各領(lǐng)域中溫度測量和控制及溫度補(bǔ)償。
根據(jù)實(shí)際情況及相關(guān)課題的研究，本論文中采用薄膜鉑電阻作為熱膜敏感元件，其溫度特性將在第四章進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。
3 熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作模式
目前，在工業(yè)中使用的熱式質(zhì)量流量計(jì)的傳感電路工作模式基本有兩種類型：恒流型和恒溫型。
3.1 恒流工作模式
典型的恒流風(fēng)速計(jì)是由惠斯登電橋和R－C補(bǔ)償電路構(gòu)成。在恒流工作模式，敏感元件工作溫度（電阻）是變化的，但流過敏感元件的電流是不變的。這樣，就可以通過檢測敏感元件的溫度變化，確定被測量介質(zhì)的流速。
恒流工作模式的風(fēng)速計(jì)存在的熱滯后效應(yīng)，所以必須對恒流風(fēng)速計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。恒流流速計(jì)的熱滯后效應(yīng)大，電子補(bǔ)償困難多，難以適應(yīng)熱膜技術(shù)的使用需要，特別是補(bǔ)償本身還必須隨流動(dòng)速度而變，致使實(shí)際使用上存在著諸多不便，因而恒流流速計(jì)的發(fā)展實(shí)際上困難重重，發(fā)展速度緩慢。同時(shí)，由于恒流風(fēng)速計(jì)存在使用不方便，隨著速率的增加輸出信號減小以及敏感元件容易受到損害等問題，所以恒流型工作模式現(xiàn)在一般很少采用。
3.2 恒溫工作模式
恒溫型風(fēng)速計(jì)主要也是由一個(gè)惠斯登電橋構(gòu)成。在恒溫工作模式，敏感元件工作在恒溫條件下（電阻不變）。利用反饋控制電路使專線溫度和電阻保持恒定。專線是作為電橋的一臂而存在的。當(dāng)加有電流的專線置于流場當(dāng)中時(shí)，由于流體流動(dòng)的關(guān)系，專線溫度將發(fā)生改變。這種改變立即導(dǎo)致電橋偏離平衡，從而輸出不平衡信號。這個(gè)不平衡信號經(jīng)放大以后又反饋到電橋中，以抑制專線的溫度改變，補(bǔ)償專線電阻的變化，從而使電橋恢復(fù)平衡，使專線溫度和電阻保持恒定。
由于恒溫型測量電路易于使用，頻率響應(yīng)高，低噪聲等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以本課題的測量電路采用恒溫型電路。
1 物理基礎(chǔ)——熱傳遞
強(qiáng)迫對流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。從物理上看，熱損耗相關(guān)的參量有：介質(zhì)的速度；介質(zhì)和專線之間的溫度差；介質(zhì)的物理特性，諸如密度、濃度、粘度和導(dǎo)熱；專線的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數(shù)、熱傳導(dǎo)率；專線的長度和直徑；介質(zhì)的可壓縮性；流動(dòng)方向和專線方向之間夾角。
在考慮上述因素的情況下，我們可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示如下[9]：
努謝爾（Nusselt）數(shù)；為熱耗散；l為專線的長度；λf為流體的熱傳導(dǎo)率；Tw為專線的工作溫度；Ta為環(huán)境溫度，一般情況下為流體介質(zhì)溫度；Rw為專線在工作溫度Tw為時(shí)的電阻；d為專線的直徑；h為熱傳遞系數(shù)；Re=ud/γ雷諾數(shù)（Reynolds）；u為流動(dòng)速度；γ為運(yùn)動(dòng)粘度，其值為μ/ρ；μ為動(dòng)力粘度；ρ為流體密度；Pr=γ/α普朗特（Prandtl）數(shù)；α為熱擴(kuò)散系數(shù)；格勒射夫（Grashof）數(shù)；g為重力加速度；β為膨脹系數(shù)；Mα=u/C馬赫（Mach）數(shù)；C為聲速；α為電阻溫度系數(shù)。 2 敏感元件
根據(jù)敏感元件類型，可以分為專線敏感元件、熱膜敏感元件、集成熱膜敏感元件和薄膜鉑電阻敏感元件。下面分別予以介紹。
2.1 專線敏感元件
專線敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。將金屬絲（即專線）焊到兩根叉桿上，叉桿的另一端為插接桿，中間為連接線，連接線外為保護(hù)罩，保護(hù)罩內(nèi)為絕緣填料。
根據(jù)專線敏感元件的選用標(biāo)準(zhǔn)，金屬絲的材料和尺寸選擇取決于靈敏度、空間分辨率和強(qiáng)度等方面的綜合要求，通常選用鎢絲或鍍鉑鎢絲作為專線敏感元件。金屬絲線徑d一般為4um～5um，*細(xì)可到0.25um。線長l一般為1.25mm，*短可達(dá)0.1mm。鎢絲強(qiáng)度好，熔點(diǎn)溫度高達(dá)3400℃，但容易氧化，因此只能用于250℃以下。鉑金絲易脆，抗拉程度僅為鎢絲的5.7%，但不易氧化。作為兩種材料相結(jié)合的鍍鉑鎢絲，兼具抗拉程度高，抗氧化程度強(qiáng)的雙重優(yōu)點(diǎn)。
專線敏感元件的機(jī)械強(qiáng)度不高，能承受的電流較小，因此不適宜在液體和帶有顆粒的氣體中工作。
2.2 熱膜敏感元件
為了將專線測量技術(shù)應(yīng)用到液體流量的測量，發(fā)展了熱膜敏感元件。它的機(jī)械強(qiáng)度較高，所以能適應(yīng)某些條件較惡劣的流場（如污水流動(dòng)的流場等）。熱膜敏感元件是由沉積在熱絕緣襯底（通常為石英）上的0.01um薄的鉑金屬或鎳膜構(gòu)成的。*一般的襯底形狀是圓錐型、楔型和圓柱型等。
熱膜敏感元件由熱膜、襯底、絕緣層和導(dǎo)線幾部分構(gòu)成。敏感元件膜是由確保敏感元件厚度能夠均勻的陰極濺射法沉積而成的。一個(gè)較厚的傳導(dǎo)材料層被用于把膜的終端連接到電子加熱電流源。膜通常覆蓋了具用1um～2um厚的石英沉積層（或類似的絕緣層）。這個(gè)覆蓋層保護(hù)了熱膜免于粒子摩擦并且對于液體中的熱膜探針提供了電絕緣。對于圓柱形熱膜探針來說，其直徑d約為25um～70um，長度l約為1mm～2mm。
2.3 集成熱膜敏感元件
基于微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystem）技術(shù)，利用濺射方法在半導(dǎo)體硅片或玻璃底片上形成三個(gè)鉑薄膜電阻，它們分別是微加熱器、加熱器溫度控制器、溫度傳感器。其工作原理是以加熱器和流體的熱傳導(dǎo)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算加熱器的熱量損失來確定流量。
集成熱膜敏感元件具有靈敏度高，幾何尺寸小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。這種微型傳感器穩(wěn)定性好，精度高，壓損小，一致性好，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。
2.4 薄膜鉑電阻敏感元件
薄膜鉑電阻的制作與熱膜敏感元件基本類似，即將金屬鉑在真空條件下，采用濺射的方法沉積于陶瓷或玻璃基片上，并經(jīng)刻劃、引線、涂釉、燒結(jié)退火等工藝制成。
薄膜鉑電阻作為一種**的測溫元件，具有尺寸小、響應(yīng)快、易于與集成電路相匹配的特點(diǎn)，且具有測溫范圍寬、精度高、線性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于化工、能源、機(jī)電、航空航天、國防等各領(lǐng)域中溫度測量和控制及溫度補(bǔ)償。
根據(jù)實(shí)際情況及相關(guān)課題的研究，本論文中采用薄膜鉑電阻作為熱膜敏感元件，其溫度特性將在第四章進(jìn)行詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)研究。
3 熱式質(zhì)量流量計(jì)的工作模式
目前，在工業(yè)中使用的熱式質(zhì)量流量計(jì)的傳感電路工作模式基本有兩種類型：恒流型和恒溫型。
3.1 恒流工作模式
典型的恒流風(fēng)速計(jì)是由惠斯登電橋和R－C補(bǔ)償電路構(gòu)成。在恒流工作模式，敏感元件工作溫度（電阻）是變化的，但流過敏感元件的電流是不變的。這樣，就可以通過檢測敏感元件的溫度變化，確定被測量介質(zhì)的流速。
恒流工作模式的風(fēng)速計(jì)存在的熱滯后效應(yīng)，所以必須對恒流風(fēng)速計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償。恒流流速計(jì)的熱滯后效應(yīng)大，電子補(bǔ)償困難多，難以適應(yīng)熱膜技術(shù)的使用需要，特別是補(bǔ)償本身還必須隨流動(dòng)速度而變，致使實(shí)際使用上存在著諸多不便，因而恒流流速計(jì)的發(fā)展實(shí)際上困難重重，發(fā)展速度緩慢。同時(shí)，由于恒流風(fēng)速計(jì)存在使用不方便，隨著速率的增加輸出信號減小以及敏感元件容易受到損害等問題，所以恒流型工作模式現(xiàn)在一般很少采用。
3.2 恒溫工作模式
恒溫型風(fēng)速計(jì)主要也是由一個(gè)惠斯登電橋構(gòu)成。在恒溫工作模式，敏感元件工作在恒溫條件下（電阻不變）。利用反饋控制電路使專線溫度和電阻保持恒定。專線是作為電橋的一臂而存在的。當(dāng)加有電流的專線置于流場當(dāng)中時(shí)，由于流體流動(dòng)的關(guān)系，專線溫度將發(fā)生改變。這種改變立即導(dǎo)致電橋偏離平衡，從而輸出不平衡信號。這個(gè)不平衡信號經(jīng)放大以后又反饋到電橋中，以抑制專線的溫度改變，補(bǔ)償專線電阻的變化，從而使電橋恢復(fù)平衡，使專線溫度和電阻保持恒定。
由于恒溫型測量電路易于使用，頻率響應(yīng)高，低噪聲等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以本課題的測量電路采用恒溫型電路。
