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热式质量流量计基本原理浅析
日期：2024-11-23 05:54
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摘要：
摘 要： 热式质量流量计基本原理同专线风速计工作原理一样，即：基于加热传感元件的对流传热。热式质量流量计根据加热元件的不同，分为专线式和热膜式。由于专线与热膜流速计在原理上没有根本差别，只是加热元件不同而已。下面我们将以专线为代表进行工作原理分析。
1 物理基础——热传递
强迫对流造成的热耗散，我们称之为热损耗。从物理上看，热损耗相关的参量有：介质的速度；介质和专线之间的温度差；介质的物理特性，诸如密度、浓度、粘度和导热；专线的物理特性，诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率；专线的长度和直径；介质的可压缩性；流动方向和专线方向之间夹角。
在考虑上述因素的情况下，我们可以用经验公式表示如下[9]：
努谢尔（Nusselt）数；
为热耗散；l为专线的长度；λf为流体的热传导率；Tw为专线的工作温度；Ta为环境温度，一般情况下为流体介质温度；Rw为专线在工作温度Tw为时的电阻；d为专线的直径；h为热传递系数；Re=ud/γ雷诺数（Reynolds）；u为流动速度；γ为运动粘度，其值为μ/ρ；μ为动力粘度；ρ为流体密度；Pr=γ/α普朗特（Prandtl）数；α为热扩散系数；
格勒射夫（Grashof）数；g为重力加速度；β为膨胀系数；Mα=u/C马赫（Mach）数；C为声速；α为电阻温度系数。
2 敏感元件
根据敏感元件类型，可以分为专线敏感元件、热膜敏感元件、集成热膜敏感元件和薄膜铂电阻敏感元件。下面分别予以介绍。
2.1 专线敏感元件
专线敏感元件的结构如图所示。将金属丝（即专线）焊到两根叉杆上，叉杆的另一端为插接杆，中间为连接线，连接线外为保护罩，保护罩内为绝缘填料。
根据专线敏感元件的选用标准，金属丝的材料和尺寸选择取决于灵敏度、空间分辨率和强度等方面的综合要求，通常选用钨丝或镀铂钨丝作为专线敏感元件。金属丝线径d一般为4um～5um，*细可到0.25um。线长l一般为1.25mm，*短可达0.1mm。钨丝强度好，熔点温度高达3400℃，但容易氧化，因此只能用于250℃以下。铂金丝易脆，抗拉程度仅为钨丝的5.7%，但不易氧化。作为两种材料相结合的镀铂钨丝，兼具抗拉程度高，抗氧化程度强的双重优点。
专线敏感元件的机械强度不高，能承受的电流较小，因此不适宜在液体和带有颗粒的气体中工作。
2.2 热膜敏感元件
为了将专线测量技术应用到液体流量的测量，发展了热膜敏感元件。它的机械强度较高，所以能适应某些条件较恶劣的流场（如污水流动的流场等）。热膜敏感元件是由沉积在热绝缘衬底（通常为石英）上的0.01um薄的铂金属或镍膜构成的。*一般的衬底形状是圆锥型、楔型和圆柱型等。
热膜敏感元件由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。敏感元件膜是由确保敏感元件厚度能够均匀的阴极溅射法沉积而成的。一个较厚的传导材料层被用于把膜的终端连接到电子加热电流源。膜通常覆盖了具用1um～2um厚的石英沉积层（或类似的绝缘层）。这个覆盖层保护了热膜免于粒子摩擦并且对于液体中的热膜探针提供了电绝缘。对于圆柱形热膜探针来说，其直径d约为25um～70um，长度l约为1mm～2mm。
2.3 集成热膜敏感元件
基于微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem）技术，利用溅射方法在半导体硅片或玻璃底片上形成三个铂薄膜电阻，它们分别是微加热器、加热器温度控制器、温度传感器。其工作原理是以加热器和流体的热传导为基础，通过计算加热器的热量损失来确定流量。
集成热膜敏感元件具有灵敏度高，几何尺寸小，动态响应快等优点。这种微型传感器稳定性好，精度高，压损小，一致性好，可进行批量生产。
2.4 薄膜铂电阻敏感元件
薄膜铂电阻的制作与热膜敏感元件基本类似，即将金属铂在真空条件下，采用溅射的方法沉积于陶瓷或玻璃基片上，并经刻划、引线、涂釉、烧结退火等工艺制成。
薄膜铂电阻作为一种**的测温元件，具有尺寸小、响应快、易于与集成电路相匹配的特点，且具有测温范围宽、精度高、线性好、性能稳定等优点。目前广泛应用于化工、能源、机电、航空航天、国防等各领域中温度测量和控制及温度补偿。
根据实际情况及相关课题的研究，本论文中采用薄膜铂电阻作为热膜敏感元件，其温度特性将在第四章进行详细的实验研究。
3 热式质量流量计的工作模式
目前，在工业中使用的热式质量流量计的传感电路工作模式基本有两种类型：恒流型和恒温型。
3.1 恒流工作模式
典型的恒流风速计是由惠斯登电桥和R－C补偿电路构成。在恒流工作模式，敏感元件工作温度（电阻）是变化的，但流过敏感元件的电流是不变的。这样，就可以通过检测敏感元件的温度变化，确定被测量介质的流速。
恒流工作模式的风速计存在的热滞后效应，所以必须对恒流风速计动态响应进行补偿。恒流流速计的热滞后效应大，电子补偿困难多，难以适应热膜技术的使用需要，特别是补偿本身还必须随流动速度而变，致使实际使用上存在着诸多不便，因而恒流流速计的发展实际上困难重重，发展速度缓慢。同时，由于恒流风速计存在使用不方便，随着速率的增加输出信号减小以及敏感元件容易受到损害等问题，所以恒流型工作模式现在一般很少采用。
3.2 恒温工作模式
恒温型风速计主要也是由一个惠斯登电桥构成。在恒温工作模式，敏感元件工作在恒温条件下（电阻不变）。利用反馈控制电路使专线温度和电阻保持恒定。专线是作为电桥的一臂而存在的。当加有电流的专线置于流场当中时，由于流体流动的关系，专线温度将发生改变。这种改变立即导致电桥偏离平衡，从而输出不平衡信号。这个不平衡信号经放大以后又反馈到电桥中，以抑制专线的温度改变，补偿专线电阻的变化，从而使电桥恢复平衡，使专线温度和电阻保持恒定。
由于恒温型测量电路易于使用，频率响应高，低噪声等一系列优点，所以本课题的测量电路采用恒温型电路。
1 物理基础——热传递
强迫对流造成的热耗散，我们称之为热损耗。从物理上看，热损耗相关的参量有：介质的速度；介质和专线之间的温度差；介质的物理特性，诸如密度、浓度、粘度和导热；专线的物理特性，诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率；专线的长度和直径；介质的可压缩性；流动方向和专线方向之间夹角。
在考虑上述因素的情况下，我们可以用经验公式表示如下[9]：
努谢尔（Nusselt）数；为热耗散；l为专线的长度；λf为流体的热传导率；Tw为专线的工作温度；Ta为环境温度，一般情况下为流体介质温度；Rw为专线在工作温度Tw为时的电阻；d为专线的直径；h为热传递系数；Re=ud/γ雷诺数（Reynolds）；u为流动速度；γ为运动粘度，其值为μ/ρ；μ为动力粘度；ρ为流体密度；Pr=γ/α普朗特（Prandtl）数；α为热扩散系数；格勒射夫（Grashof）数；g为重力加速度；β为膨胀系数；Mα=u/C马赫（Mach）数；C为声速；α为电阻温度系数。 2 敏感元件
根据敏感元件类型，可以分为专线敏感元件、热膜敏感元件、集成热膜敏感元件和薄膜铂电阻敏感元件。下面分别予以介绍。
2.1 专线敏感元件
专线敏感元件的结构如图所示。将金属丝（即专线）焊到两根叉杆上，叉杆的另一端为插接杆，中间为连接线，连接线外为保护罩，保护罩内为绝缘填料。
根据专线敏感元件的选用标准，金属丝的材料和尺寸选择取决于灵敏度、空间分辨率和强度等方面的综合要求，通常选用钨丝或镀铂钨丝作为专线敏感元件。金属丝线径d一般为4um～5um，*细可到0.25um。线长l一般为1.25mm，*短可达0.1mm。钨丝强度好，熔点温度高达3400℃，但容易氧化，因此只能用于250℃以下。铂金丝易脆，抗拉程度仅为钨丝的5.7%，但不易氧化。作为两种材料相结合的镀铂钨丝，兼具抗拉程度高，抗氧化程度强的双重优点。
专线敏感元件的机械强度不高，能承受的电流较小，因此不适宜在液体和带有颗粒的气体中工作。
2.2 热膜敏感元件
为了将专线测量技术应用到液体流量的测量，发展了热膜敏感元件。它的机械强度较高，所以能适应某些条件较恶劣的流场（如污水流动的流场等）。热膜敏感元件是由沉积在热绝缘衬底（通常为石英）上的0.01um薄的铂金属或镍膜构成的。*一般的衬底形状是圆锥型、楔型和圆柱型等。
热膜敏感元件由热膜、衬底、绝缘层和导线几部分构成。敏感元件膜是由确保敏感元件厚度能够均匀的阴极溅射法沉积而成的。一个较厚的传导材料层被用于把膜的终端连接到电子加热电流源。膜通常覆盖了具用1um～2um厚的石英沉积层（或类似的绝缘层）。这个覆盖层保护了热膜免于粒子摩擦并且对于液体中的热膜探针提供了电绝缘。对于圆柱形热膜探针来说，其直径d约为25um～70um，长度l约为1mm～2mm。
2.3 集成热膜敏感元件
基于微机电系统（MicroElectroMechanicalSystem）技术，利用溅射方法在半导体硅片或玻璃底片上形成三个铂薄膜电阻，它们分别是微加热器、加热器温度控制器、温度传感器。其工作原理是以加热器和流体的热传导为基础，通过计算加热器的热量损失来确定流量。
集成热膜敏感元件具有灵敏度高，几何尺寸小，动态响应快等优点。这种微型传感器稳定性好，精度高，压损小，一致性好，可进行批量生产。
2.4 薄膜铂电阻敏感元件
薄膜铂电阻的制作与热膜敏感元件基本类似，即将金属铂在真空条件下，采用溅射的方法沉积于陶瓷或玻璃基片上，并经刻划、引线、涂釉、烧结退火等工艺制成。
薄膜铂电阻作为一种**的测温元件，具有尺寸小、响应快、易于与集成电路相匹配的特点，且具有测温范围宽、精度高、线性好、性能稳定等优点。目前广泛应用于化工、能源、机电、航空航天、国防等各领域中温度测量和控制及温度补偿。
根据实际情况及相关课题的研究，本论文中采用薄膜铂电阻作为热膜敏感元件，其温度特性将在第四章进行详细的实验研究。
3 热式质量流量计的工作模式
目前，在工业中使用的热式质量流量计的传感电路工作模式基本有两种类型：恒流型和恒温型。
3.1 恒流工作模式
典型的恒流风速计是由惠斯登电桥和R－C补偿电路构成。在恒流工作模式，敏感元件工作温度（电阻）是变化的，但流过敏感元件的电流是不变的。这样，就可以通过检测敏感元件的温度变化，确定被测量介质的流速。
恒流工作模式的风速计存在的热滞后效应，所以必须对恒流风速计动态响应进行补偿。恒流流速计的热滞后效应大，电子补偿困难多，难以适应热膜技术的使用需要，特别是补偿本身还必须随流动速度而变，致使实际使用上存在着诸多不便，因而恒流流速计的发展实际上困难重重，发展速度缓慢。同时，由于恒流风速计存在使用不方便，随着速率的增加输出信号减小以及敏感元件容易受到损害等问题，所以恒流型工作模式现在一般很少采用。
3.2 恒温工作模式
恒温型风速计主要也是由一个惠斯登电桥构成。在恒温工作模式，敏感元件工作在恒温条件下（电阻不变）。利用反馈控制电路使专线温度和电阻保持恒定。专线是作为电桥的一臂而存在的。当加有电流的专线置于流场当中时，由于流体流动的关系，专线温度将发生改变。这种改变立即导致电桥偏离平衡，从而输出不平衡信号。这个不平衡信号经放大以后又反馈到电桥中，以抑制专线的温度改变，补偿专线电阻的变化，从而使电桥恢复平衡，使专线温度和电阻保持恒定。
由于恒温型测量电路易于使用，频率响应高，低噪声等一系列优点，所以本课题的测量电路采用恒温型电路。
