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熱式質(zhì)量流量計(jì)的基本原理

更新時(shí)間:2017-02-24   |  點(diǎn)擊率:5261

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。