熱式氣體質(zhì)量流量計基本原理淺析

熱式氣體質(zhì)量流量計基本原理同風(fēng)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(zhì)量流量計根據加熱元件的不同，分為式和熱膜式。由于與熱膜流速計在原理上沒(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——熱傳遞 

強迫對流造成的熱耗散，我們稱(chēng)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、粘度和導熱；的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數、熱傳導率；的長(cháng)度和直徑；介質(zhì)的可壓縮性；流動(dòng)方向和方向之間夾角。 

2 敏感元件 

根據敏感元件類(lèi)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 

敏感元件的結構如圖所示。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(xiàn)，連接線(xiàn)外為保護罩，保護罩內為絕緣填料。 

根據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敏感元件。金屬絲線(xiàn)徑d一般為4um～5um，zui細可到0.25um。線(xiàn)長(cháng)l一般為1.25mm，zui短可達0.1mm。鎢絲強度好，熔點(diǎn)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(yōu)點(diǎn)。 

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 

為了將測量技術(shù)應用到液體流量的測量，發(fā)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(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、絕緣層和導線(xiàn)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(gè)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(lèi)似的絕緣層）。這個(gè)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(lái)說(shuō)，其直徑d約為25um～70um，長(cháng)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(shù)，利用濺射方法在半導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為基礎，通過(guò)計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)響應快等優(yōu)點(diǎn)。這種微型傳感器穩定性好，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(lèi)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(xiàn)、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(diǎn)，且具有測溫范圍寬、精度高、線(xiàn)性好、性能穩定等優(yōu)點(diǎn)。目前廣泛應用于化工、能源、機電、航空航天、國防等各領(lǐng)域中溫度測量和控制及溫度補償。 

根據實(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)行詳細的實(shí)驗研究。 

3 熱式質(zhì)量流量計的工作模式 

目前，在工業(yè)中使用的熱式質(zhì)量流量計的傳感電路工作模式基本有兩種類(lèi)型：恒流型和恒溫型。