热式质量流量计基本原理浅析

　　1 物理基础——热传递

　　强迫对流造成的热耗散,我们称之为热损耗。从物理上看,热损耗相关的参量有:介质的速度;介质和热线之间的温度差;介质的物理特性,诸如密度、 浓度、粘度和导热;热线的物理特性,诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率;热线的长度和直径;介质的可压缩性;流动方向和热线方向之间夹角。

　　在考虑上述因素的情况下,我们可以用经验公式表示如下[9]:

　　2 敏感元件

　　根据敏感元件类型,可以分为热线敏感元件、热膜敏感元件、集成热膜敏感元件和薄膜铂电阻敏感元件。下面分别予以介绍。

　　2.1 热线敏感元件

　　热线敏感元件的结构如图所示。将金属丝(即热线)焊到两根叉杆上,叉杆的另一端为插接杆,中间为连接线,连接线外为保护罩,保护罩内为绝缘填 料。根据热线敏感元件的选用标准,金属丝的材料和尺寸选择取决于灵敏度、空间分辨率和强度等方面的综合要求, 通常选用钨丝或镀铂钨丝作为热线敏感元件。

　　金属丝线径d一般为4um～5um,最细可到0.25um。线长l一般为1.25mm,最短可达 0 . 1 m m 。钨 丝 强 度 好 , 熔 点 温 度 高 达3400℃,但容易氧化,因此只能用于250℃以下。铂金丝易脆,抗拉程度仅为钨丝的5.7%,但不易氧化。作为两种材料相结合的镀铂钨丝,兼具抗拉程 度高,抗氧化程度强的双重优点。热线敏感元件的机械强度不高,能承受的电流较小,因此不适宜在液体和带有颗粒的气体中工作。

　　2.2 热膜敏感元件

　　为了将热线测量技术应用到液体流量的测量,发展了热膜敏感元件。它的机械强度较高,所以能适应某些条件较恶劣的流场(如污水流动的流场等)。热 膜敏感元件是由沉积在热绝缘衬底(通常为石英)上的0.01um薄的铂金属或镍膜构成的。最一般的衬底形状是圆锥型、楔型和圆柱型等热膜敏感元件由热膜、 衬底、绝缘层和导线几部分构成。敏感元件膜是由确保敏感元件厚度能够均匀的阴极溅射法沉积而成的。一个较厚的传导材料层被用于把膜的终端连接到电子加热电 流源。膜通常 覆 盖 了 具 用 1um ～ 2 u m 厚 的 石 英 沉 积层(或类似的绝缘层)。这个覆盖层保护了热膜免于粒子摩擦并且对于液体中的热膜探针提供了电绝缘。对于圆柱形热膜探针来说,其直径d约为 25um～70um,长度l约 为 1 m m ～ 2 m m 。

　　2 . 3 集成热膜敏感元件

　　基于微机电系统(Micro Electro MechanicalSystem)技术,利用溅射方法在半导体硅片或玻璃底片上形成三个铂薄膜电阻,它们分别是微加热器、加热器温度控制器、温度传感 器。其工作原理是以加热器和流体的热传导为基础,通过计算加热器的热量损失来确定流量。集成热膜敏感元件具有灵敏度高,几何尺寸小,动态响应快等优点。这 种微型传感器稳定性好,精度高,压损小,一致性好,可进行批量生产。