资源描述：
《一种用于微小流量测量的热线式流量传感器的研究.pdf》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、计量技术1998.№813一种用于微小流量测量的热线式流量传感器的研究才海男周兆英(清华大学精密仪器系,北京100084)摘要本文介绍了一种用于微小流量测量的热线式流量传感器,它利用热敏电阻作为发热元件和温度敏感元件。文中介绍了使用热敏电阻测量微小流量的方法,分析了它的基本工作原理,并给出了此种传感器进行流量测量的实验结果。实践证明这种热线式流量传感器可以在0～25mLömin的流量测量范围内得到较为准确的测量结果。关键词热线风速计流量传感器微小流量测量基于加热物体与流体之间的对流换热。当被加一、前言热圆柱体处于流体之中时,随着流体速度的增近年来随着微型机械ö微型机电系统加
2、,圆柱体被带走的热量也增加,温度下降,在(MEMS)的出现和发展,微流量控制系统在医这一物理过程中流速与其圆柱体的温度之间有学、制药、分析仪器和分子生物学等方面已有实一定的依赖关系。1914年英国人King就据此[1]际应用,并且在不远的将来将广泛用于计算发明了热线风速计[5],原理见图1。[2]机、通讯、交通、宇航等各个方面。因而对于微流体的研究和微型阀、微型泵、微型流量计等微流体控制元件的要求也越来越高,用于微小流量测量的微型流量传感器就是其中的一种,它[3]在微流量控制系统中起着重要的作用。微流量控制系统指的是流量在每分钟数微图1升至数十毫升的控制系统,当前研制和使用
3、的本文所研究的微小型流量计与热线风速计微流量传感器都是微升级,即测量范围都小于基本原理相同,现采用热线风速计的分析方法[4]1000LLömin,而更大测量范围的流量传感器进行分析。图1所示的热交换是一个含有对流、则很少见,因而研制流量测量范围在每分钟毫传导和辐射的非常复杂的过程,热平衡方程式升级以至数十毫升的微流量传感器是非常需要为和迫切的。本文介绍了一种用于微小流量测量QJ=QC+QK+QR(1)的热线式流量传感器,专门用于测量每分钟数2其中,QJ=IR为加热电流I电阻为R的热线毫升至数十毫升范围内的流量。这个流量传感上消耗的能量;QC为热线与流体的对流散热;器利用了热
4、线式风速计的工作原理,热敏电阻在传感器中作为发热元件和温度敏感元件。实QK为热线向其支持结构传导的热量;QR为热践证明这种热线式流量传感器可能在0～线向周围的辐射散热。对于这样一个复杂的热25mLömin的流量测量范围内得到较为准确的过程进行理论分析,必须根据实际情况进行简测量结果。化:首先,由于流体与其热线的温度差一般<300℃,对于本微流量传感器来说更低,仅为几二、热线式流量传感器的工作原理十度,所以可以忽略辐射散热QR;其次,在传感热线式流速ö流量测量的基本工作原理是器设计时应尽量减小热线向结构的导热,可以14计量技术1998.№8忽略传导热QK;最后,由于水等液体的
5、密度比必须指出,以上关系是在热线长度远大于空气大得多,在液体流动时强迫对流换热现象热线直径,热线温度场近似为图1(b)的情况下远远强于自然对流换热,因而可以不考虑自然得到的。对于本微流量传感器来说,热线为热敏对流的影响。于是可以认为热线的换热过程基电阻,其长度与直径之比很小(1∶1～115),温本上是一个强迫对流换热过程,热平衡方程可度场不均匀,所以式(8)的表达式为近似的关简化为系,理论与实际会产生一定的差别。QJ=QC(2)三、热线流量计的结构与实验装置[6]强迫对流换热的放热量可写成QC=hPdl(Tw-Tf)(3)本文研究的热线流量传感器中,用于流量2其中,h为强迫
6、对流放热系数(Wöm℃);d为测量的热敏电阻处于恒流工作方式,见图2热线直径;l为热线长度;Tw为热线温度;Tf为(a)。当环境温度为TH时,设电流源提供的恒流体温度。于是定电流为I,于是由于热敏电阻发热产生的相2IR=hPdl(Tw-Tf)(4)对于环境温度TH的温升这样只要确定热线的对流放热系数h,就可完全确定热线的热平衡关系。现引入3个无量纲数:雷诺数Re=udöC,u为流体流动速度,C为流体运动粘性系数;普朗特数Pr=Cöa,a为流体热扩散率;努谢特数Nu=hdöKf,Kf为流体导热系数。这3个无量纲数的之间的关系为图22Nu=f(Re,Pr)(5)$T=IR·G(
7、9)于是其中,G=f(u)为与流速u有关的热敏电阻的2IR=PlKf(Tw-Tf)·f(Re,Pr)(6)散热系数,而此时热敏电阻的值使用上式是不方便的,因为它没有给出具R=RH(1+A$T)(10)体的关系,1946年克雷默斯在King工作的基其中,A为热敏电阻的温度系数,RH当温度为础上,通过对气体和液体的大量实验,提出了如TH时的电阻值。下公式RH=R0[1+A(TH-T0)](11)0120133015Nu=0142Pr+0157PrRe(7)R0为热敏电阻在标准温度T0下的阻值,于是于是有2015IR=(
