[发明专利]谐振式热式流量/流速传感器及其测量方法

说明书

本发明涉及流体测量技术领域的一种流量/流速传感器，特别是一种热式流量/流速传感器及其测量方法。它广泛应用于工业气体流量测量及家庭生活的气流测量。

流量、流速测量从传感器角度看实际上是相同的，流量测量只不过测量出流动介质通过固定截面速度的时间积累效应。在实际应用中流量测量较为常见。

现有的热电式流量计中较经典的是热线式风速仪和热膜式风速仪。前者的原理性实验是1902年由Shakepear在伯明翰完成的，1914年King提出了无限长线和流体之间的热对流理论，推出了著名的King公式，奠定了热线风速计的理论基础。针对热线敏感元件存在的强度低易损坏的缺点，六十年代发展了热膜敏感元件。后者的基本原理是任何时候发热体在流场中的能量损失与流体带走的热量成比例，通过测量发热体参数便可测量流体的流速或流量。前后两者在测量中的传感器分为热线式和热膜式。热线式结构为焊接在两支柱上的热丝(铂丝或钨丝，工作温度高为300℃以上)和支杆组成。这种热线探头(测量头)强度低、使用寿命短、价格较高，多用于气体测量。热膜式结构由热膜、衬底(常用石英或硼硅玻璃)、绝缘层和导线几部分构成，其热膜是喷溅在石英衬底上一层很薄的铂金膜(通常只有1×10E-4mm--10×10E-4mm厚)。工作时在热膜上通以加热电流，当流体流过探头时，流体与探头进行热交换，流量的变化引起热膜电阻值的变化通过测量线路检测出变化值就能测得流量的变化。这种热膜探头由于结构强度高、应用范围比热线探头广(不仅用于常规气流速度/流量测量，而且在电喷汽车油、气量控制中也得到大量应用)。但是，这两种热电式传感器对环境温度变化引起的误差较难进行修正，而且在工业上应用也受到一些限制。

随着工业技术的发展和需要提高，国外一些大公司如KURZ、FCI、SIERRA等公司，相继开发出热式质量流量测量技术，并将其成功地用于工业气体流量测量。目前，象FCI、SIERRA等公司的这类热质式传感器已经在我国流量传感器市场上登陆。以美国SIERRA公司的640系列STEELTRAK工业插入式气体质量流量计为例，它的热式质量流量计传感器的基本原理是：用电对探头加热，当介质流动时就会产生热量的变化，测得这一变化即可得到质量流量。这种传感器的结构参见图1、图2(图1是Sierra热式质量流量探头示意图，图2为图1的俯视示意图)所示。它是由基座1及其上的两个检测元件A、B(即敏感元件，也称探头A、B)构成。检测元件A、B是由内部用铂电阻丝绕在陶瓷棒上，外面用不锈钢套封装而成。元件A用来测量流体介质的温度，元件B用来测量流体介质的速度，测量电路参见图3(该图为电阻式热式流量、流速测量电路原理图)。测量过程中，元件B中的铂丝被仪表电路馈入的加热电流加热至高于被测气体温度，并保持元件B的温度与被测气体温度(即元件A温度)之差为一恒定值；通常当流体介质不流动时，加热电流的供电电桥电压为3.084V；当流体流速增加时，因热交换缘故，元件B温度降低，电阻降低，电桥输出误差信号；经控制电路作用，电路供给的加热电流增加(电桥输出电压升高)使两元件A、B温度差保持恒定；这时，电流的加热功率与元件B被气体带走的热量处于平衡状态，测出电桥输出电压的变化值，便可获得气体流速。另外，HP公司推出的手持式风速仪和瑞士SAUTER公司推出的RLE100型流量控制器所使用的测量探头也采用了所述类似的结构。这类热式流量/流速计典型的测量电路原理图见图3。电阻式热质式传感器虽然克服了热线式、热膜式传感器对环境温度变化引起的误差较难进行修正的缺点，在工业上得到了广泛应用。但是，这种传感器在流体测量时的输出信号f_o仅是模拟电信号，而且与流速成非线性关系。因此，在流量/流速仪表中需要对敏感元件输出信号进行放大、A/D转换、线性化等，转换成数字量输出与计算机接口相容这就增加了测量线路的复杂性，提高了仪器成本。

本发明根据当前流量/流速测量技术现状和相关技术的发展，针对上述热电式、热质式传感器存在的不足，从满足测量精度和与计算机连接方便的要求，同时降低整个测量系统成本的目的出发，提供了一种新型谐振式热式流量/流速传感器及其测量方法。