熱式質(zhì)量流量計(jì)的基本原理

熱式質(zhì)量流量計(jì)基本原理同風(fēng)速計(jì)工作原理一樣，即：基于加熱傳感元件的對(duì)流傳熱。熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)加熱元件的不同，分為式和熱膜式。由于與熱膜流速計(jì)在原理上沒(méi)有根本差別，只是加熱元件不同而已。下面我們將以為代表進(jìn)行工作原理分析。
 1 物理基礎(chǔ)——熱傳遞
  強(qiáng)迫對(duì)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；的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數(shù)、熱傳導(dǎo)率；的長(zhǎng)度和直徑；介質(zhì)的可壓縮性；流動(dòng)方向和方向之間夾角。
  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：
      （1）
  式中：努謝爾（Nusselt）數(shù)；為熱耗散；l為的長(zhǎng)度；λf為流體的熱傳導(dǎo)率；Tw為的工作溫度；Ta為環(huán)境溫度，一般情況下為流體介質(zhì)溫度；Rw為在工作溫度Tw為時(shí)的電阻；d為的直徑；h為熱傳遞系數(shù)；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)；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 敏感元件
  敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。將金屬絲（即）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)敏感元件的選用標(biāo)，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敏感元件。金屬絲線徑d一般為4um～5um，zui細(xì)可到0.25um。線長(zhǎng)l一般為1.25mm，zui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)的雙重點(diǎn)。
  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
  為了將測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到液體流量的測(cè)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(chǎng)（如污水流動(dòng)的流場(chǎng)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。zui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(duì)于液體中的熱膜探針提供了電絕緣。對(duì)于圓柱形熱膜探針來(lái)說(shuō)，其直徑d約為25um～70um，長(zhǎng)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(guò)計(jì)算加熱器的熱量損失來(lái)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新型的測(cè)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(cè)溫范圍寬、精度高、線性好、性能穩(wěn)定等點(diǎn)。目前廣泛應(yīng)用于化工、能源、機(jī)電、航空航天、國(guó)防等各領(lǐng)域中溫度測(cè)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(guò)敏感元件的電流是不變的。這樣，就可以通過(guò)檢測(cè)敏感元件的溫度變化，確定被測(cè)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(duì)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(hào)減小以及敏感元件容易受到損害等問(wèn)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溫度和電阻保持恒定。是作為電橋的一臂而存在的。當(dāng)加有電流的置于流場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，由于流體流動(dòng)的關(guān)系，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(hào)。這個(gè)不平衡信號(hào)經(jīng)放大以后又反饋到電橋中，以抑制的溫度改變，補(bǔ)償電阻的變化，從而使電橋恢復(fù)平衡，使溫度和電阻保持恒定。
  由于恒溫型測(cè)量電路易于使用，頻率響應(yīng)高，低噪聲等一系列點(diǎn)，所以本課題的測(cè)量電路采用恒溫型電路。