一種用于微小流量測(cè)量的熱線式流量傳感器的研究.pdf

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1、計(jì)量技術(shù)1998.№813一種用于微小流量測(cè)量的熱線式流量傳感器的研究才海男周兆英(清華大學(xué)精密儀器系,北京100084)摘要本文介紹了一種用于微小流量測(cè)量的熱線式流量傳感器,它利用熱敏電阻作為發(fā)熱元件和溫度敏感元件。文中介紹了使用熱敏電阻測(cè)量微小流量的方法,分析了它的基本工作原理,并給出了此種傳感器進(jìn)行流量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)踐證明這種熱線式流量傳感器可以在0～25mL?min的流量測(cè)量范圍內(nèi)得到較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。關(guān)鍵詞熱線風(fēng)速計(jì)流量傳感器微小流量測(cè)量基于加熱物體與流體之間的對(duì)流換熱。當(dāng)被加一、前言熱圓柱體處于流體之中時(shí),隨著流體速度的增近年來(lái)隨著微型機(jī)械?微型機(jī)電系統(tǒng)加

2、,圓柱體被帶走的熱量也增加,溫度下降,在(MEMS)的出現(xiàn)和發(fā)展,微流量控制系統(tǒng)在醫(yī)這一物理過(guò)程中流速與其圓柱體的溫度之間有學(xué)、制藥、分析儀器和分子生物學(xué)等方面已有實(shí)一定的依賴關(guān)系。1914年英國(guó)人King就據(jù)此[1]際應(yīng)用,并且在不遠(yuǎn)的將來(lái)將廣泛用于計(jì)算發(fā)明了熱線風(fēng)速計(jì)[5],原理見(jiàn)圖1。[2]機(jī)、通訊、交通、宇航等各個(gè)方面。因而對(duì)于微流體的研究和微型閥、微型泵、微型流量計(jì)等微流體控制元件的要求也越來(lái)越高,用于微小流量測(cè)量的微型流量傳感器就是其中的一種,它[3]在微流量控制系統(tǒng)中起著重要的作用。微流量控制系統(tǒng)指的是流量在每分鐘數(shù)微圖1升至數(shù)十毫升的控制系統(tǒng),當(dāng)前研制和使用

3、的本文所研究的微小型流量計(jì)與熱線風(fēng)速計(jì)微流量傳感器都是微升級(jí),即測(cè)量范圍都小于基本原理相同,現(xiàn)采用熱線風(fēng)速計(jì)的分析方法[4]1000LL?min,而更大測(cè)量范圍的流量傳感器進(jìn)行分析。圖1所示的熱交換是一個(gè)含有對(duì)流、則很少見(jiàn),因而研制流量測(cè)量范圍在每分鐘毫傳導(dǎo)和輻射的非常復(fù)雜的過(guò)程,熱平衡方程式升級(jí)以至數(shù)十毫升的微流量傳感器是非常需要為和迫切的。本文介紹了一種用于微小流量測(cè)量QJ=QC+QK+QR(1)的熱線式流量傳感器,專門用于測(cè)量每分鐘數(shù)2其中,QJ=IR為加熱電流I電阻為R的熱線毫升至數(shù)十毫升范圍內(nèi)的流量。這個(gè)流量傳感上消耗的能量;QC為熱線與流體的對(duì)流散熱;器利用了熱

4、線式風(fēng)速計(jì)的工作原理,熱敏電阻在傳感器中作為發(fā)熱元件和溫度敏感元件。實(shí)QK為熱線向其支持結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)的熱量;QR為熱踐證明這種熱線式流量傳感器可能在0～線向周圍的輻射散熱。對(duì)于這樣一個(gè)復(fù)雜的熱25mL?min的流量測(cè)量范圍內(nèi)得到較為準(zhǔn)確的過(guò)程進(jìn)行理論分析,必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行簡(jiǎn)測(cè)量結(jié)果?；?首先,由于流體與其熱線的溫度差一般<300℃,對(duì)于本微流量傳感器來(lái)說(shuō)更低,僅為幾二、熱線式流量傳感器的工作原理十度,所以可以忽略輻射散熱QR;其次,在傳感熱線式流速?流量測(cè)量的基本工作原理是器設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量減小熱線向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱,可以14計(jì)量技術(shù)1998.№8忽略傳導(dǎo)熱QK;最后,由于水等液體的

5、密度比必須指出,以上關(guān)系是在熱線長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于空氣大得多,在液體流動(dòng)時(shí)強(qiáng)迫對(duì)流換熱現(xiàn)象熱線直徑,熱線溫度場(chǎng)近似為圖1(b)的情況下遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于自然對(duì)流換熱,因而可以不考慮自然得到的。對(duì)于本微流量傳感器來(lái)說(shuō),熱線為熱敏對(duì)流的影響。于是可以認(rèn)為熱線的換熱過(guò)程基電阻,其長(zhǎng)度與直徑之比很小(1∶1～115),溫本上是一個(gè)強(qiáng)迫對(duì)流換熱過(guò)程,熱平衡方程可度場(chǎng)不均勻,所以式(8)的表達(dá)式為近似的關(guān)簡(jiǎn)化為系,理論與實(shí)際會(huì)產(chǎn)生一定的差別。QJ=QC(2)三、熱線流量計(jì)的結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)裝置[6]強(qiáng)迫對(duì)流換熱的放熱量可寫成QC=hPdl(Tw-Tf)(3)本文研究的熱線流量傳感器中,用于流量2其中,h為強(qiáng)迫

6、對(duì)流放熱系數(shù)(W?m℃);d為測(cè)量的熱敏電阻處于恒流工作方式,見(jiàn)圖2熱線直徑;l為熱線長(zhǎng)度;Tw為熱線溫度;Tf為(a)。當(dāng)環(huán)境溫度為TH時(shí),設(shè)電流源提供的恒流體溫度。于是定電流為I,于是由于熱敏電阻發(fā)熱產(chǎn)生的相2IR=hPdl(Tw-Tf)(4)對(duì)于環(huán)境溫度TH的溫升這樣只要確定熱線的對(duì)流放熱系數(shù)h,就可完全確定熱線的熱平衡關(guān)系?，F(xiàn)引入3個(gè)無(wú)量綱數(shù):雷諾數(shù)Re=ud?C,u為流體流動(dòng)速度,C為流體運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù);普朗特?cái)?shù)Pr=C?a,a為流體熱擴(kuò)散率;努謝特?cái)?shù)Nu=hd?Kf,Kf為流體導(dǎo)熱系數(shù)。這3個(gè)無(wú)量綱數(shù)的之間的關(guān)系為圖22Nu=f(Re,Pr)(5)$T=IR·G(

7、9)于是其中,G=f(u)為與流速u有關(guān)的熱敏電阻的2IR=PlKf(Tw-Tf)·f(Re,Pr)(6)散熱系數(shù),而此時(shí)熱敏電阻的值使用上式是不方便的,因?yàn)樗鼪](méi)有給出具R=RH(1+A$T)(10)體的關(guān)系,1946年克雷默斯在King工作的基其中,A為熱敏電阻的溫度系數(shù),RH當(dāng)溫度為礎(chǔ)上,通過(guò)對(duì)氣體和液體的大量實(shí)驗(yàn),提出了如TH時(shí)的電阻值。下公式RH=R0[1+A(TH-T0)](11)0120133015Nu=0142Pr+0157PrRe(7)R0為熱敏電阻在標(biāo)準(zhǔn)溫度T0下的阻值,于是于是有2015IR=(