制冷型热式液体质量流量计设计

　　1　引　言

　　1834年法国科学家珀尔帖发现当电流通过不同导体的结点时会产生吸热或放热现象,这种现象被称为珀尔帖效应。20世纪80年代,随着半导体材料科学的进步,基于珀尔帖效应的热电制冷技术得到飞速发展和广泛应用。本文采用半导体热电制冷技术对微小管道内的流动液体进行降温,制作成制冷型热式液体质量流量计,从而可以克服传统热式流量计对液体加热所导致的一些问题。

　　2　半导体制冷基本原理

　　对于任何两种不同导体接触构成的回路,在接触点处都会有吸热和放热现象,但是在金属导体中参与导电的自由电子平均能量差很小,吸热、放热效应就很微弱,没有实用价值。而半导体材料由于内部结构的特点,决定了它产生的温差现象比其它金属要显著得多,所以一般采用半导体材料。

　　2.1　半导体制冷原理及其过程

　　单片制冷片的结构如图1所示,它由陶瓷基片、金属导流条、P型半导体元件和N型半导体元件组成。

　　N型半导体中的电子势能高于金属导流条中的电子势能。当电子从金属导流条流向N型半导体时,电子的势能增高,从热运动中吸收能量,把热能转变成势能,因而在接点上发生吸热现象。当电子从N型半导体流向金属导流条时,电子的势能减少,把多余的势能释放出来,转变成为热能,因而在接点上发生放热现象。金属导流条和P型半导体的珀尔帖效应,也可以用类似的原理来解释,不过P型半导体是靠空穴来导电的,所考虑的是空穴的能量变化。

　　由于单片制冷片的制冷功率很低,实际应用时通常将同一类型的若干制冷片串联使用,如图2所示。

　　2.2　半导体制冷片制冷功率计算

　　3　制冷型热式液体质量流量计传感器的设计

　　热式质量流量计是利用传热原理检测流体流量的仪表,应用较多的有两类:①利用流动流体传递热量改变测量管壁温度分布的热传导效应分布式流量计;②利用热消散(冷却)效应的热式流量计。

　　上述两类方法一般都是对流体进行加热,但在液体情况下,对流体加热时,会产生下列问题:①在微小流量范围内,液体受热容易气化,产生气泡;②受热时,液体中的气体逸散形成气泡,使测量引入噪声或使灵敏度变化;③不宜用于乙醇等低沸点液体[2]。

　　解决的途径之一是降低加热温度,使之比液体温度只高几度,但这又容易受外界温度影响,使测量的灵敏度发生变化。而采用与加热相对的方法,对液体进行冷却,同样是利用传热原理,却可以克服加热液体所产生的问题,其工作原理如图3所示。