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热式气体质量流量计基本原理浅析
点击次数:1418 发布时间:2018-05-28
 

热式气体质量流量计基本原理同风速计工作原理一样,即:基于加热传感元件的对流传热。热式质量流量计根据加热元件的不同,分为式和热膜式。由于与热膜流速计在原理上没有根本差别,只是加热元件不同而已。下面我们将以为代表进行工作原理分析。 

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;介质和之间的温度差;介质的物理特性,诸如密度、浓度、粘度和导热;的物理特性,诸如电阻率、电阻温度系数、热传导率;的长度和直径;介质的可压缩性;流动方向和方向之间夹角。 

2 敏感元件 

根据敏感元件类型,可以分为敏感元件、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 敏感元件 

敏感元件的结构如图所示。将金属丝(即)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敏感元件。金属丝线径d一般为4um~5um,zui细可到0.25um。线长l一般为1.25mm,zui短可达0.1mm。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。 

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。zui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~2um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1mm~2mm。 

2.3 集成热膜敏感元件 

基于微机电系统(MicroElectroMechanicalSystem)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。 

2.4 薄膜铂电阻敏感元件 

薄膜铂电阻的制作与热膜敏感元件基本类似,即将金属铂在真空条件下,采用溅射的方法沉积于陶瓷或玻璃基片上,并经刻划、引线、涂釉、烧结退火等工艺制成。 

薄膜铂电阻作为一种新型的测温元件,具有尺寸小、响应快、易于与集成电路相匹配的特点,且具有测温范围宽、精度高、线性好、性能稳定等优点。目前广泛应用于化工、能源、机电、航空航天、国防等各领域中温度测量和控制及温度补偿。 

根据实际情况及相关课题的研究,本论文中采用薄膜铂电阻作为热膜敏感元件,其温度特性将在第四章进行详细的实验研究。 

3 热式质量流量计的工作模式 

目前,在工业中使用的热式质量流量计的传感电路工作模式基本有两种类型:恒流型和恒温型。 
 

 
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