微流量检测器：原理、应用与发展

微流量检测器是一种利用敏感元件的热敏特性测量微小气体流量变化的新型检测器。其传感元件是两个微型热丝电阻，和另外两个辅助电阻组成惠斯通电桥。热丝电阻通电加热至一定温度，当有气体流过时，带走部分热量使热丝元件冷却，电阻变化，通过电桥转变成电压信号。

微流量传感器中的热丝元件有两种，一种是栅状镍丝电阻，简称镍格栅，它是把很细的镍丝编织成栅栏状制成的。这种镍格栅垂直装配于气流通道中，微气流从格栅中间穿过。另一种是铂丝电阻，在云母片上用超微技术光刻上很细的铂丝制成。这种铂丝电阻平行装配于气流通道中，微气流从其表面掠过。这种微流量检测器实际上是一种微型热式质量流量计，它的体积很小（光刻铂丝电阻的云母片只有约3 mm×3 mm，毛细管气流通道内径仅为0.2~0.5 mm），灵敏度极高，精度优于±1%，价格也较便宜。采用微流量检测器替代薄膜电容检测器，可使红外分析器光学系统的体积大为缩小，可靠性、耐振性等性能提高，因而在红外、氧分析仪等仪器中得到了较广应用。

图3.5是微流量检测器工作原理示意图。测量管（毛细管气流通道）3内装有两个栅状镍丝电阻（镍格栅）2，和另外两个辅助电阻组成惠斯通电桥。镍丝电阻由恒流电源5供电加热至一定温度。

当流量为零时，测量管内的温度分布如图3.6下部虚线所示，相对于测量管中心的上下游是对称的，电桥处于平衡状态。当有气体流过时，气流将上游的部分热量带给下游，导致温度分布变化如实线所示，由电桥测出两个镍丝电阻阻值的变化，求得其温度差ΔT，便可按式（3.17）计算出质量流量qm：

式中　cp——被测气体的定压比热容；

A——镍丝电阻与气流之间的热传导系数；

K——仪表常数。

(www.xing528.com)

图3.5　微流量检测器工作原理

1—微流量传感器；2—栅状镍丝电阻（镍格栅）；3—测量管（毛细管气流通道）；4—转换器；5—恒流电源；6—放大器

然后利用质量流量与气体含量的关系计算出被测气体的实际浓度。

当使用某一特定范围的气体时，A、cp均可视为常量，则质量流量qm仅与镍丝电阻之间的温度差ΔT成正比，如图3.6中Oa段所示。Oa段为仪表正常测量范围，测量管出口处气流不带走热量，或者说带走的热量极微；超过a点流量增大到有部分热量被带走而呈现非线性，流量超过b点则大量热量被带走。

图3.6　质量流量与镍丝电阻温度差的关系

当气流反方向流过测量管时，图3.6中温度分布变化实线向左偏移，两个镍丝电阻的温度差为-ΔT，质量流量计算式为：

式（3.18）中的负号表示流体流动方向相反。