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流傳熱。風(fēng)速信號、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。

1.熱式質(zhì)量流量計(jì)物理基礎(chǔ)—對流傳熱

強(qiáng)迫對流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。所謂的強(qiáng)迫對流就是氣體在外力的影響下發(fā)生的對流現(xiàn)象，對流就是流體各部分之間發(fā)生相對位移，依靠冷熱流體互相摻混和移動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)。一般基片會集成兩片鉑金電阻，一個是測流量信號的熱膜電阻（Rh），另一個是具有相同溫度系數(shù)用于溫度補(bǔ)償鉑金電阻（Rc），還需兩個額外普通精密電阻 R1，R2一起構(gòu)成惠斯登電橋，四個電阻分別作為四個不同的橋臂電路，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

置于流場當(dāng)中時，由于流體流動造成的對流傳熱，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，這個不平衡信號經(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)測流量基本原理推導(dǎo)

當(dāng)熱膜通電時，鉑金材質(zhì)薄膜會發(fā)熱，溫度要高于周圍介質(zhì)溫度，介質(zhì)流過熱膜時帶走一部分熱量，于是熱膜溫度會隨著流量的大小發(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)而會得出流量與加熱電流有一個函數(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)迫對流的情況下，流過無限薄熱膜熱損失方程，這個方程用無量綱參數(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，會帶走部分熱量，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)而可得出電壓信號的變化，流量和電壓信號產(chǎn)生了一一對應(yīng)關(guān)系式。由于恒流流量

計(jì)存在使用不方便，隨著流量信號的增加輸出信號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。