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| 熱式質量流量計基本原理淺析 |
| 熱式質量流量計基本原理淺析 | | 發布時間：2019/10/17 8:02:36 |
摘 要： 熱式質量流量計基本原理同熱線風速計工作原理一樣，即：基于加熱傳感元件的對流傳熱。熱式質量流量計根據加熱元件的不同，分為熱線式和熱膜式。由于熱線與熱膜流速計在原理上沒有根本差別，只是加熱元件不同而已。下面我們將以熱線為代表進行工作原理分析。
1 物理基礎——熱傳遞
強迫對流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。從物理上看，熱損耗相關的參量有：介質的速度；介質和熱線之間的溫度差；介質的物理特性，諸如密度、濃度、粘度和導熱；熱線的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數、熱傳導率；熱線的長度和直徑；介質的可壓縮性；流動方向和熱線方向之間夾角。
2 敏感元件
根據敏感元件類型，可以分為熱線敏感元件、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 熱線敏感元件
熱線敏感元件的結構如圖所示。將金屬絲（即熱線）焊到兩根叉桿上，叉桿的另一端為插接桿，中間為連接線，連接線外為保護罩，保護罩內為絕緣填料。
根據熱線敏感元件的選用標準，金屬絲的材料和尺寸選擇取決于靈敏度、空間分辨率和強度等方面的綜合要求，通常選用鎢絲或鍍鉑鎢絲作為熱線敏感元件。金屬絲線徑d一般為4um～5um，最細可到0.25um。線長l一般為1.25mm，最短可達0.1mm。鎢絲強度好，熔點溫度高達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。作為兩種材料相結合的鍍鉑鎢絲，兼具抗拉程度高，抗氧化程度強的雙重優點。
熱線敏感元件的機械強度不高，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
為了將熱線測量技術應用到液體流量的測量，發展了熱膜敏感元件。它的機械強度較高，所以能適應某些條件較惡劣的流場（如污水流動的流場等）。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成的。最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、絕緣層和導線幾部分構成。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。一個較厚的傳導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）。這個覆蓋層保護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
基于微機電系統（MicroElectroMechanicalSystem）技術，利用濺射方法在半導體硅片或玻璃底片上形成三個鉑薄膜電阻，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為基礎，通過計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，動態響應快等優點。這種微型傳感器穩定性好，精度高，壓損小，一致性好，可進行批量生產。
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，并經刻劃、引線、涂釉、燒結退火等工藝制成。
薄膜鉑電阻作為一種新型的測溫元件，具有尺寸小、響應快、易于與集成電路相匹配的特點，且具有測溫范圍寬、精度高、線性好、性能穩定等優點。目前廣泛應用于化工、能源、機電、航空航天、國防等各領域中溫度測量和控制及溫度補償。
根據實際情況及相關課題的研究，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行詳細的實驗研究。
3 熱式質量流量計的工作模式
目前，在工業中使用的熱式質量流量計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
典型的恒流風速計是由惠斯登電橋和R－C補償電路構成。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，確定被測量介質的流速。
恒流工作模式的風速計存在的熱滯后效應，所以必須對恒流風速計動態響應進行補償。恒流流速計的熱滯后效應大，電子補償困難多，難以適應熱膜技術的使用需要，特別是補償本身還必須隨流動速度而變，致使實際使用上存在著諸多不便，因而恒流流速計的發展實際上困難重重，發展速度緩慢。同時，由于恒流風速計存在使用不方便，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在一般很少采用。
3.2 恒溫工作模式
恒溫型風速計主要也是由一個惠斯登電橋構成。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熱線溫度和電阻保持恒定。熱線是作為電橋的一臂而存在的。當加有電流的熱線置于流場當中時，由于流體流動的關系，熱線溫度將發生改變。這種改變立即導致電橋偏離平衡，從而輸出不平衡信號。這個不平衡信號經放大以后又反饋到電橋中，以抑制熱線的溫度改變，補償熱線電阻的變化，從而使電橋恢復平衡，使熱線溫度和電阻保持恒定。
由于恒溫型測量電路易于使用，頻率響應高，低噪聲等一系列優點，所以本課題的測量電路采用恒溫型電路。
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摘 要： 熱式質量流量計基本原理同熱線風速計工作原理一樣，即：基于加熱傳感元件的對流傳熱。熱式質量流量計根據加熱元件的不同，分為熱線式和熱膜式。由于熱線與熱膜流速計在原理上沒有根本差別，只是加熱元件不同而已。下面我們將以熱線為代表進行工作原理分析。
1 物理基礎——熱傳遞
強迫對流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。從物理上看，熱損耗相關的參量有：介質的速度；介質和熱線之間的溫度差；介質的物理特性，諸如密度、濃度、粘度和導熱；熱線的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數、熱傳導率；熱線的長度和直徑；介質的可壓縮性；流動方向和熱線方向之間夾角。
2 敏感元件
根據敏感元件類型，可以分為熱線敏感元件、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 熱線敏感元件
熱線敏感元件的結構如圖所示。將金屬絲（即熱線）焊到兩根叉桿上，叉桿的另一端為插接桿，中間為連接線，連接線外為保護罩，保護罩內為絕緣填料。
根據熱線敏感元件的選用標準，金屬絲的材料和尺寸選擇取決于靈敏度、空間分辨率和強度等方面的綜合要求，通常選用鎢絲或鍍鉑鎢絲作為熱線敏感元件。金屬絲線徑d一般為4um～5um，最細可到0.25um。線長l一般為1.25mm，最短可達0.1mm。鎢絲強度好，熔點溫度高達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。作為兩種材料相結合的鍍鉑鎢絲，兼具抗拉程度高，抗氧化程度強的雙重優點。
熱線敏感元件的機械強度不高，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
為了將熱線測量技術應用到液體流量的測量，發展了熱膜敏感元件。它的機械強度較高，所以能適應某些條件較惡劣的流場（如污水流動的流場等）。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成的。最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、絕緣層和導線幾部分構成。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。一個較厚的傳導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）。這個覆蓋層保護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
基于微機電系統（MicroElectroMechanicalSystem）技術，利用濺射方法在半導體硅片或玻璃底片上形成三個鉑薄膜電阻，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為基礎，通過計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，動態響應快等優點。這種微型傳感器穩定性好，精度高，壓損小，一致性好，可進行批量生產。
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，并經刻劃、引線、涂釉、燒結退火等工藝制成。
薄膜鉑電阻作為一種新型的測溫元件，具有尺寸小、響應快、易于與集成電路相匹配的特點，且具有測溫范圍寬、精度高、線性好、性能穩定等優點。目前廣泛應用于化工、能源、機電、航空航天、國防等各領域中溫度測量和控制及溫度補償。
根據實際情況及相關課題的研究，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行詳細的實驗研究。
3 熱式質量流量計的工作模式
目前，在工業中使用的熱式質量流量計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
典型的恒流風速計是由惠斯登電橋和R－C補償電路構成。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，確定被測量介質的流速。
恒流工作模式的風速計存在的熱滯后效應，所以必須對恒流風速計動態響應進行補償。恒流流速計的熱滯后效應大，電子補償困難多，難以適應熱膜技術的使用需要，特別是補償本身還必須隨流動速度而變，致使實際使用上存在著諸多不便，因而恒流流速計的發展實際上困難重重，發展速度緩慢。同時，由于恒流風速計存在使用不方便，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在一般很少采用。
3.2 恒溫工作模式
恒溫型風速計主要也是由一個惠斯登電橋構成。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熱線溫度和電阻保持恒定。熱線是作為電橋的一臂而存在的。當加有電流的熱線置于流場當中時，由于流體流動的關系，熱線溫度將發生改變。這種改變立即導致電橋偏離平衡，從而輸出不平衡信號。這個不平衡信號經放大以后又反饋到電橋中，以抑制熱線的溫度改變，補償熱線電阻的變化，從而使電橋恢復平衡，使熱線溫度和電阻保持恒定。
由于恒溫型測量電路易于使用，頻率響應高，低噪聲等一系列優點，所以本課題的測量電路采用恒溫型電路。
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