热膜式质量流量计原理

热膜式质量流量计原理

量计基本原理是基于加热传感元件的对流传热。风速信号、流体流通横截面积、流体密度的乘积就是质量流量，在具体流体和管道机械尺寸确定后，风速信号和质量流量是互相可以进行相应转换的，其实质是风速越大带走的热量越多，体现出的流量越大。热式质量流量计根据加热元件的不同，分为热线式和热膜式两种，其二者原理完全相同，就其工作模式分为恒温法与恒流法。研究着重介绍热膜式气体质量流量计，工作模式为恒温法，此款流量计已经研发成功，并已经投入使用效果不错。

1.热式质量流量计物理基础—对流传热

强迫对流造成的热耗散，我们称之为热损耗。所谓的强迫对流就是气体在外力的影响下发生的对流现象，对流就是流体各部分之间发生相对位移，依靠冷热流体互相掺混和移动所引起的热量传递方式。从物理学角度来看，与热损耗相关的参量有：流通介质的流速、流通介质和热膜敏感元件之间的温度差；流通介质物理特性包括：诸如密度、浓度、粘度和导热系数等；热膜感温元件物理特性：诸如电阻率、电

阻温度系数、热传导率、热膜的导热面积和厚度；还有介质的可压缩性；流体流动方向和热膜感温方向之间夹角都能影响热损耗程度。

2.加热感温敏感元件

根据敏感元件类型，可以分为热线式和热膜式两种下面分别予以详细介绍。

2.1热线式敏感元件

热线敏感元件基本结构是：首先将金属丝（即铂金丝）缠绕在陶瓷基板上进行一下初步固定，其次再把热线两端在放大镜辅助下焊接到镀锡铜线上，***后热线用散热性能非常好的绝缘胶材料进行绝缘加固，热线敏感元件基本结构通常都是如此。热线材料通常选用铂金丝，其优点很多例如：抗氧化能力强、熔点高、化学性质极稳定、延展性好、耐摩擦、抗酸等。其线径一般为 1um～10um，***细通常可到 0.2um，

线长一般为 2mm，***短可达 0.5mm。当然能作为热线材质的还有钨丝、镀铂钨丝等。

2.2热膜式敏感元件

热式质量流量计很少采用热线作为敏感元件，因为往往热线体积都较大，很难去固定到微小的流体通道当中去，热线基本都用来开发风速仪手持式智能仪表。于是基于微机电系统技术，利用溅射方法在半导体硅片或陶瓷底片上形成铂金电阻，铂金电阻厚度为0.1um左右，这就是热膜感温元件，热膜式质量流量计应运而生。集成热膜敏感元件具有灵敏度高，几何尺寸小，动态响应快，稳定性好，精度高，一致性好等优点，可进行批量生产。一般基片会集成两片铂金电阻，一个是测流量信号的热膜电阻（Rh），另一个是具有相同温度系数用于温度补偿铂金电阻（Rc），还需两个额外普通精密电阻 R1，R2一起构成惠斯登电桥，四个电阻分别作为四个不同的桥臂电路，这是极其经典的电路。本公司所研制的流量计采用恒温工作模式，敏感元件工作在恒温条件下（电阻不变）。利用晶体管反馈控制电路使热膜温度和电阻保持恒定。热膜是作为电桥的一臂而存在的，当加有电流的热膜

置于流场当中时，由于流体流动造成的对流传热，使热膜温度发生改变。这种改变立即导致电桥偏离平衡，从而输出不平衡信号，这个不平衡信号经放大以后又反馈到电桥中，通过增大电流或者是减小电流以抑制热线的温度改变，补偿热线电阻的变化，从而使电桥重新恢复平衡，电桥平衡公式为R1*Rc=R2*Rh，使热线温度和电阻保持恒定。恒温型测量电路具有易于使用，频率响应高，低噪声等一系列优点而得到广泛应用。

3.热膜流量计测流量基本原理推导

当热膜通电时，铂金材质薄膜会发热，温度要高于周围介质温度，介质流过热膜时带走一部分热量，于是热膜温度会随着流量的大小发生变化，流量越大温度越低，热膜电阻阻值越小，为了使电桥平衡，只有增加加热电流，这样才能保持恒温，进而会得出流量与加热电流有一个函数关系式后续有推导详细步骤。除去极小流速外，可以认为热膜的热损失主要与强迫对流有关，即损失的热量主要是被气流所带

走。King氏研究了在强迫对流的情况下，流过无限薄热膜热损失方程，这个方程用无量纲参数形式写出为：Nu=A+  BRe

一般来说，热膜的宽度和厚度之比 l/d总超过200，因此完全可以用King式公式。式中的Re即为雷诺数，A，B为校正

4.热式质量流量计工作模式

目前热式质量流量计在实际应用当中工作模式分两种，一种为恒温型，另一种为恒流型工作模式，恒温模式前面已经进行了详述，下面只介绍恒流工作模式。恒流工作模式：用恒流源给热线或者热膜加热，当有气体流过传感元件时，会带走部分热量，从而使敏感元件（热膜或者热线）电阻发生变化，由于电流是恒定不变的，进而可得出电压信号的变化，流量和电压信号产生了一一对应关系式。由于恒流流量

计存在使用不方便，随着流量信号的增加输出信号反而减小以及敏感元件容易受到损害等问题，所以恒流型工作模式现在一般很少采用。