新一代热式质量流量计

　　通常流量测量有体积与质量计量两种方式。体积流量计量往往受温度、压力等工况的变化而影响计量精确度。因此,要求精确计量的场合必须采用质量流量计量。质量流量计可分为推导式质量流量计与直接式质量流量计两种。前者是在体积计量的基础上进行密度补偿或者进行温度、压力补偿,并通过运算推导出质量流量。后者是基于传感器测量原理消除温度、压力等的影响,从而直接获得质量流量,如科里奥利(Coriolis)质量流量计、热式质量流量计等。前者适用于多种液体的质量流量计量,后者则适用于各种气体的微小流量的质量计量。

　　热式质量流量计又称量热流量计。它是利用测量热的传递、热的转移原理来求得质量流量的仪表。该类仪表的基本原理几乎相同,但传感器的结构与材料各有特色。本文将重点介绍株式会社山武的CMS与CMQ热式气体质量流量计与控制器。

　　1　微型质量流量传感器(μF)的结构与原理

　　1.1　结构

　　微型质量流量传感器在面积为1.7mm×1.7mm,厚度为0.5mm的硅片上,利用微机械加工技术与薄膜技术形成灵敏度高,响应速度快的热式流量传感器。其结构如图1所示。在硅片表面有一层绝缘膜,在绝缘层下用很薄的铂膜生成加热器h、上游温度传感器u、下游温度传感器d以及环境温度传感器r。铂膜的电阻值随着温度的变化而发生变化,因此它具有测温热电阻(RTD)的特性。

　　加热器h在硅基片的中心,上游温度传感器u与下游温度传感器d在其两边,而环境温度传感器r设置在外围。将处在硅基片中央位置的加热器h与上、下游温度传感器(u,d)的下面部分的硅用各向异性蚀刻法除去,并且与硅基片形成热隔离的隔膜。

　　1.2　测量原理

　　当无流体流动时,加热器h两侧的温度分布是对称的,上游温度传感器u与下游温度传感器d的温度相等(见图2a),其温度分布曲线也呈对称型(见图3a)。

　　当有流体流动时,加热器h两侧温度分布的对称性被破坏,形成上游温度传感器u的温度降低,而下游温度传感器d的温度升高,形成温差(见图2b),当流量越大时,其温度分布曲线越不对称(见图3b)。不对称的程度反应了被测流量的大小。也即每单位时间所转移的热量正比于该气体的流速及其热传导率。由于各个被测气体均有各自固定的热传导率,且不受温度,压力的影响,因此很容易测出气体的质量流量。同时,温差引起上,下游温度传感器组成的桥臂电阻值的改变,从而使电桥输出与气体质量流量成正比的电压信号或转换成标准电流信号。

　　2　主要特点

　　2.1　灵敏度高,响应速度快,重复性好