熱式質(zhì)量流量計(jì)基本原理淺析
加入技術(shù)交流群
強(qiáng)迫對(duì)流造成的熱耗散，我們稱之為熱損耗。從物理上看，熱損耗相關(guān)的參量有：介質(zhì)的速度；介質(zhì)和熱線之間的溫度差；介質(zhì)的物理特性，諸如密度、濃度、粘度和導(dǎo)熱；熱線的物理特性，諸如電阻率、電阻溫度系數(shù)、熱傳導(dǎo)率；熱線的長(zhǎng)度和直徑；介質(zhì)的可壓縮性；流動(dòng)方向和熱線方向之間夾角。
在考慮上述因素的情況下，我們可以用經(jīng)驗(yàn)公式表示如下[9]：
努謝爾（Nusselt）數(shù)；
為熱耗散；l為熱線的長(zhǎng)度；λf為流體的熱傳導(dǎo)率；Tw為熱線的工作溫度；Ta為環(huán)境溫度，一般情況下為流體介質(zhì)溫度；Rw為熱線在工作溫度Tw為時(shí)的電阻；d為熱線的直徑；h為熱傳遞系數(shù)；Re=ud/γ雷諾數(shù)（Reynolds）；u為流動(dòng)速度；γ為運(yùn)動(dòng)粘度，其值為μ/ρ；μ為動(dòng)力粘度；ρ為流體密度；Pr=γ/α普朗特（Prandtl）數(shù)；α為熱擴(kuò)散系數(shù)；
格勒射夫（Grashof）數(shù)；g為重力加速度；β為膨脹系數(shù)；Mα=u/C馬赫（Mach）數(shù)；C為聲速；α為電阻溫度系數(shù)。 2 敏感元件
根據(jù)敏感元件類型，可以分為熱線敏感元件、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 熱線敏感元件
熱線敏感元件的結(jié)構(gòu)如圖所示。將金屬絲（即熱線）焊到兩根叉桿上，叉桿的另一端為插接桿，中間為連接線，連接線外為保護(hù)罩，保護(hù)罩內(nèi)為絕緣填料。
根據(jù)熱線敏感元件的選用標(biāo)準(zhǔn)，金屬絲的材料和尺寸選擇取決于靈敏度、空間分辨率和強(qiáng)度等方面的綜合要求，通常選用鎢絲或鍍鉑鎢絲作為熱線敏感元件。金屬絲線徑d一般為4um～5um，最細(xì)可到0.25um。線長(zhǎng)l一般為1.25mm，最短可達(dá)0.1mm。鎢絲強(qiáng)度好，熔點(diǎn)溫度高達(dá)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(jié)合的鍍鉑鎢絲，兼具抗拉程度高，抗氧化程度強(qiáng)的雙重優(yōu)點(diǎn)。
熱線敏感元件的機(jī)械強(qiáng)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
為了將熱線測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到液體流量的測(cè)量，發(fā)展了熱膜敏感元件。它的機(jī)械強(qiáng)度較高，所以能適應(yīng)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(gòu)成的。最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(dǎo)線幾部分構(gòu)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(dǎo)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（或類似的絕緣層）。這個(gè)覆蓋層保護(hù)了熱膜免于粒子摩擦并且對(duì)于液體中的熱膜探針提供了電絕緣。對(duì)于圓柱形熱膜探針來說，其直徑d約為25um～70um，長(zhǎng)度l約為1mm～2mm。
2.3 集成熱膜敏感元件
基于微機(jī)電系統(tǒng)（MicroElectroMechanicalSystem）技術(shù)，利用濺射方法在半導(dǎo)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(dǎo)為基礎(chǔ)，通過計(jì)算加熱器的熱量損失來確定流量。 加速度計(jì)相關(guān)文章:加速度計(jì)原理
評(píng)論