熱膜式質(zhì)量流量計(jì)原理

量計(jì)基本原理是基于加熱傳感元件的對(duì)流傳熱。風(fēng)速信號(hào)、流體流通橫截面積、流體密度的乘積就是質(zhì)量流量，在具體流體和管道機(jī)械尺寸確定后，風(fēng)速信號(hào)和質(zhì)量流量是互相可以進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)換的，其實(shí)質(zhì)是風(fēng)速越大帶走的熱量越多，體現(xiàn)出的流量越大。熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)加熱元件的不同，分為熱線式和熱膜式兩種，其二者原理完全相同，就其工作模式分為恒溫法與恒流法。研究著重介紹熱膜式氣體質(zhì)量流量計(jì)，工作模式為恒溫法，此款流量計(jì)已經(jīng)研發(fā)成功，并已經(jīng)投入使用效果不錯(cuò)。

1.熱式質(zhì)量流量計(jì)物理基礎(chǔ)—對(duì)流傳熱

強(qiáng)迫對(duì)流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。所謂的強(qiáng)迫對(duì)流就是氣體在外力的影響下發(fā)生的對(duì)流現(xiàn)象，對(duì)流就是流體各部分之間發(fā)生相對(duì)位移，依靠冷熱流體互相摻混和移動(dòng)所引起的熱量傳遞方式。從物理學(xué)角度來看，與熱損耗相關(guān)的參量有：流通介質(zhì)的流速、流通介質(zhì)和熱膜敏感元件之間的溫度差；流通介質(zhì)物理特性包括：諸如密度、濃度、粘度和導(dǎo)熱系數(shù)等；熱膜感溫元件物理特性：諸如電阻率、電

阻溫度系數(shù)、熱傳導(dǎo)率、熱膜的導(dǎo)熱面積和厚度；還有介質(zhì)的可壓縮性；流體流動(dòng)方向和熱膜感溫方向之間夾角都能影響熱損耗程度。

2.加熱感溫敏感元件

根據(jù)敏感元件類型，可以分為熱線式和熱膜式兩種下面分別予以詳細(xì)介紹。

2.1熱線式敏感元件

熱線敏感元件基本結(jié)構(gòu)是：首先將金屬絲（即鉑金絲）纏繞在陶瓷基板上進(jìn)行一下初步固定，其次再把熱線兩端在放大鏡輔助下焊接到鍍錫銅線上，***后熱線用散熱性能非常好的絕緣膠材料進(jìn)行絕緣加固，熱線敏感元件基本結(jié)構(gòu)通常都是如此。熱線材料通常選用鉑金絲，其優(yōu)點(diǎn)很多例如：抗氧化能力強(qiáng)、熔點(diǎn)高、化學(xué)性質(zhì)極穩(wěn)定、延展性好、耐摩擦、抗酸等。其線徑一般為 1um～10um，***細(xì)通常可到 0.2um，

線長(zhǎng)一般為 2mm，***短可達(dá) 0.5mm。當(dāng)然能作為熱線材質(zhì)的還有鎢絲、鍍鉑鎢絲等。

2.2熱膜式敏感元件

熱式質(zhì)量流量計(jì)很少采用熱線作為敏感元件，因?yàn)橥鶡峋€體積都較大，很難去固定到微小的流體通道當(dāng)中去，熱線基本都用來開發(fā)風(fēng)速儀手持式智能儀表。于是基于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)，利用濺射方法在半導(dǎo)體硅片或陶瓷底片上形成鉑金電阻，鉑金電阻厚度為0.1um左右，這就是熱膜感溫元件，熱膜式質(zhì)量流量計(jì)應(yīng)運(yùn)而生。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，穩(wěn)定性好，精度高，一致性好等優(yōu)點(diǎn)，可進(jìn)行批量生產(chǎn)。一般基片會(huì)集成兩片鉑金電阻，一個(gè)是測(cè)流量信號(hào)的熱膜電阻（Rh），另一個(gè)是具有相同溫度系數(shù)用于溫度補(bǔ)償鉑金電阻（Rc），還需兩個(gè)額外普通精密電阻 R1，R2一起構(gòu)成惠斯登電橋，四個(gè)電阻分別作為四個(gè)不同的橋臂電路，這是極其經(jīng)典的電路。本公司所研制的流量計(jì)采用恒溫工作模式，敏感元件工作在恒溫條件下（電阻不變）。利用晶體管反饋控制電路使熱膜溫度和電阻保持恒定。熱膜是作為電橋的一臂而存在的，當(dāng)加有電流的熱膜

置于流場(chǎng)當(dāng)中時(shí)，由于流體流動(dòng)造成的對(duì)流傳熱，使熱膜溫度發(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，通過增大電流或者是減小電流以抑制熱線的溫度改變，補(bǔ)償熱線電阻的變化，從而使電橋重新恢復(fù)平衡，電橋平衡公式為R1*Rc=R2*Rh，使熱線溫度和電阻保持恒定。恒溫型測(cè)量電路具有易于使用，頻率響應(yīng)高，低噪聲等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。

3.熱膜流量計(jì)測(cè)流量基本原理推導(dǎo)

當(dāng)熱膜通電時(shí)，鉑金材質(zhì)薄膜會(huì)發(fā)熱，溫度要高于周圍介質(zhì)溫度，介質(zhì)流過熱膜時(shí)帶走一部分熱量，于是熱膜溫度會(huì)隨著流量的大小發(fā)生變化，流量越大溫度越低，熱膜電阻阻值越小，為了使電橋平衡，只有增加加熱電流，這樣才能保持恒溫，進(jìn)而會(huì)得出流量與加熱電流有一個(gè)函數(shù)關(guān)系式后續(xù)有推導(dǎo)詳細(xì)步驟。除去極小流速外，可以認(rèn)為熱膜的熱損失主要與強(qiáng)迫對(duì)流有關(guān)，即損失的熱量主要是被氣流所帶

走。King氏研究了在強(qiáng)迫對(duì)流的情況下，流過無限薄熱膜熱損失方程，這個(gè)方程用無量綱參數(shù)形式寫出為：Nu=A+  BRe

一般來說，熱膜的寬度和厚度之比 l/d總超過200，因此完全可以用King式公式。式中的Re即為雷諾數(shù)，A，B為校正

4.熱式質(zhì)量流量計(jì)工作模式

目前熱式質(zhì)量流量計(jì)在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中工作模式分兩種，一種為恒溫型，另一種為恒流型工作模式，恒溫模式前面已經(jīng)進(jìn)行了詳述，下面只介紹恒流工作模式。恒流工作模式：用恒流源給熱線或者熱膜加熱，當(dāng)有氣體流過傳感元件時(shí)，會(huì)帶走部分熱量，從而使敏感元件（熱膜或者熱線）電阻發(fā)生變化，由于電流是恒定不變的，進(jìn)而可得出電壓信號(hào)的變化，流量和電壓信號(hào)產(chǎn)生了一一對(duì)應(yīng)關(guān)系式。由于恒流流量

計(jì)存在使用不方便，隨著流量信號(hào)的增加輸出信號(hào)反而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。