TWI539140B - 熱式質量流量計 - Google Patents

Description

熱式質量流量計

本發明涉及一種熱式質量流量計。

質量流量計是工業測量中重要的儀錶之一。隨著工業生產的發展，對流量計的準確度和範圍要求越來越高，測量技術日新月異。質量流量計的的工作原理可分為橫溫差法和恒功率法。這兩種方法的測量均是基於流體的流速對感應元件的溫度產生影響，從而改變感應元件的電阻，通過測量電阻的變化即可以測出流體的流速大小。感應元件的溫度與感應元件的電阻之間的存在一定的關係函數。根據電阻定律，感應元件的電阻公式為R=ρL/S，其中，ρ為感應的電阻率，L為感應元件的長度，S為感應元件的橫截面積。感應的電阻率ρ與其溫度有關，可見在感應元件的長度一定的情況下，橫截面積越小，感應元件的溫度對感應元件的電阻影響越大。因此，感應元件應該越細越好。

目前，基於上述兩種原理的熱式質量流量計中，感應元件一般採用金屬絲。然而，當由金屬或合金作成的超細導線的直徑達到微米級甚至更小時，金屬絲易斷，而且受目前工藝水準的限制，很難制得超細的一維金屬絲。因此，目前的熱式質量流量計不夠靈敏，而且感應元件的壽命較短。

有鑒於此，確有必要提供一種靈敏度較高，且感應元件導電性能好壽命長的熱式質量流量計。

一種熱式質量流量計，包括一探測器、一訊號接收器及一訊號處理器，所述探測器、訊號接收器與訊號處理器之間相互電連接，所述訊號接收器用於接收探測器的訊號並將訊號放大；所述訊號處理器用於將訊號接收器產生的訊號進行計算和處理；所述探測器包括間隔設置的第一感應元件和第二感應元件感應元件，第一感應元件和第二感應元件分別為一奈米碳管複合導線。所述奈米碳管複合導線包括：一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成，該奈米碳管單紗的撚度為10轉/厘米到300轉/厘米，該奈米碳管單紗的直徑為50奈米到30微米；以及一金屬層，包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為50奈米到5微米。

與先前技術相比較，由本發明提供的熱式質量流量計採用奈米碳管複合導線作為感應元件，通過優化所述奈米碳管單紗的直徑和撚度，從而可以使奈米碳管複合導線的直徑較小的情況下，顯著提高所述奈米碳管複合導線的機械性能，使奈米碳管複合導線在直徑較小的情況下仍具有較高強度，因此，採用奈米碳管導線的感應元件與金屬絲相比在相同的強度下具有更小的直徑，熱式質量流量計的靈敏度較高且使用壽命較長。

100‧‧‧熱式質量流量計

102a‧‧‧第一感應元件

102b‧‧‧第二感應元件

104‧‧‧支撐結構

105‧‧‧導電支撐杆

106‧‧‧支撐座

110‧‧‧奈米碳管單紗

112‧‧‧金屬層

200‧‧‧探測器

202‧‧‧保護罩

300‧‧‧訊號接收器

400‧‧‧訊號處理器

500‧‧‧顯示裝置

圖1為本發明實施例提供的熱式質量流量計的結構示意圖。

圖2為本發明實施例提供的探測器的結構示意圖。

圖3為本發明實施例提供的另一種探測器的結構示意圖。

圖4為本發明實施例提供的奈米碳管複合導線的掃描電鏡照片。

圖5為本發明實施例提供的奈米碳管複合導線中的奈米碳管單紗的拉伸應力曲線。

請參照圖1，本發明實施例提供一種熱式質量流量計100，其包括一探測器200，一訊號接收器300，一訊號處理器400及一顯示裝置500。所述探測器200、訊號接收器300、訊號處理器400與顯示裝置500之間相互電連接。所述探測器200用於探測流場的訊號。所述訊號接收器300與探測器200電連接形成一電路，通過該電路接收探測器200的訊號，並傳遞給訊號處理器400。訊號處理器400將訊號計算之後可以得到流場的具體流速，並通過顯示裝置500顯示出來。

請參見圖2，所述探測器200包括一第一感應元件102a、一第二感應元件102b及一支撐結構104，第一感應元件102a和第二感應元件102b相互平行且間隔設置且被支撐結構104所支撐，其材料及尺寸相同。第一感應元件102a和第二感應元件102b的兩端分別固定於所述支撐結構104，並通過支撐結構104懸空設置。所述第一感應元件102a和第二感應元件102b連接於訊號接收器300的電路中。

請參見圖2，所述支撐結構104包括一支撐座106及四個導電支撐杆105。所述四個導電支撐杆105固定於支撐座106。每個所述導電支撐杆105固定於支撐座106上，並包括一第一端(圖未標)及 一第二端1054(圖未標)。所述四個導電支撐杆105的第二端固定於支撐座106上，第一端從支撐座106上延伸出來。四個導電支撐杆105的第一端相互間隔設置。所述第一感應元件102a的兩端分別固定於兩個導電支撐杆105的第一端，即被兩個導電支撐杆105所夾持。所述第二感應元件102b的兩端分別固定於另外兩個導電支撐杆105的第一端，即被另外兩個導電支撐杆105所夾持。所述探測器200進一步包括連接導線(圖未示)，連接導線分別與四個導電支撐杆105電連接，並將該四個導電支撐杆105連接於訊號接收器300中的電路中。連接導線位於所述支撐座106的內部，即從支撐座106內部走線。所述導電支撐杆105的作用為支撐第一感應元件102a和第二感應元件102b，並在第一感應元件102a和第二感應元件102b上施加電流。導電支撐杆105的材料應具有良好的導電性和盡可能小的傳熱係數，還應該具有一定的強度和剛度。本實施例中，選擇鍍金的不銹鋼絲作為導電支撐杆105。導電支撐杆105的直徑為10微米~5毫米。所述四個導電支撐杆105基本平行且高度相同。所述支撐座106的作用為支撐導電支撐杆105。支撐座106的材料為絕緣材料。本實施例中，支撐座106為陶瓷，導電支撐杆105通過陶瓷燒結的方式固定於所述支撐座106。

可選擇地，所述探測器200進一步包括一保護罩202，用於保護第一、第二感應元件102a、102b。當熱式質量流量計100不工作時，保護罩202罩在第一、第二感應元件102a、102b上。所述保護罩202通過卡扣的方式固定於支撐座106，便於隨時從支撐座106上取下。

請參見圖3，所述支撐結構104也可以為一框體。所述支撐結構104包括四個側板，該四個側板圍成一個框體。第一感應元件102a和第二感應元件102b的兩端分別固定於該框體的相對的兩個側板上。第一感應元件102a和第二感應元件102b的兩端通過連接導線(圖未示)與外部電路連接，導線埋設於支撐結構104的內部，即，從支撐結構104內部走線。當然，支撐結構104的具體結構並不限於上述兩種情況，只要滿足第一感應元件102a和第二感應元件102b可以通過支撐結構104懸空設置，以使第一感應元件102a和第二感應元件102b可以和外部電路連接即可。

請參照圖4，所述第一、第二感應元件102a、102b為一奈米碳管複合導線，其直徑為150奈米至40微米。優選地，所述奈米碳管複合導線的直徑小於等於10微米。所述奈米碳管複合導線包括一奈米碳管單紗110以及一包覆於所述奈米碳管單紗110外表面的金屬層112。所述奈米碳管單紗110由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗110的軸向旋轉加撚構成。所述奈米碳管單紗110可以通過從一奈米碳管陣列中拉取獲得一奈米碳管線，並將所述奈米碳管線的兩端相對回轉形成。所述奈米碳管線的兩端可以沿順時針方向回轉，從而形成S撚；所述奈米碳管線的兩端可以沿逆時針方向回轉，從而形成Z撚。由於從奈米碳管陣列中直接拉取獲得的奈米碳管線中的奈米碳管基本沿所述奈米碳管線的軸向延伸，且在所述奈米碳管線的軸向方向通過凡得瓦力首尾相連。故，在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中，該奈米碳管線中的奈米碳管會沿奈米碳管線的軸向方向螺旋狀排列，且在延伸方向通過凡得瓦力首尾相連，進而形成所述奈米碳管單紗110。另外，在將所述奈米碳管線的兩端相對回轉的過程中，所述奈米碳管線中 沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距會變小，接觸面積增大，從而使所述奈米碳管單紗110中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的凡得瓦力顯著增加，並緊密相連。所述奈米碳管單紗110中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於10奈米。優選地，所述奈米碳管單紗110中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於5奈米。更優選地，所述奈米碳管單紗110中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距小於等於1奈米。由於所述奈米碳管單紗110中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的間距較小且通過凡得瓦力緊密相連，故，所述奈米碳管單紗110具有光滑且緻密的表面結構。

所述奈米碳管單紗110的直徑為50奈米到30微米。所述奈米碳管單紗110的撚度為10轉/厘米到300轉/厘米。所述撚度是指單位長度奈米碳管線回轉的圈數。當所述奈米碳管單紗110的直徑確定時，適當的撚度可以使所述奈米碳管單紗110具有較好的機械性能。這是由於，隨著撚度的增加，所述奈米碳管單紗110中沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間間距的降低，從而使沿徑向方向相鄰的奈米碳管之間的作用力會增強；但是，當撚度過大時，所述奈米碳管單紗110中沿軸向方向相鄰的奈米碳管之間的作用力反而會降低。當所述奈米碳管單紗110的直徑小於10微米時，所述奈米碳管單紗110的撚度優選為250轉/厘米到300轉/厘米；而當所述奈米碳管單紗110的直徑為10微米到20微米時，所述奈米碳管單紗110的撚度優選為200轉/厘米到250轉/厘米；而當所述奈米碳管單紗110的直徑為25微米到30微米時，所述奈米碳管單紗110的撚度優選為100轉/厘米到150轉/厘米。所述奈米碳管單紗110的機械強度可以達到相同直徑的金線的機械強度的5-10倍。本實 施例中，所述奈米碳管單紗110的直徑約為25微米，且其撚度約為100轉/厘米。

由於所述奈米碳管單紗110具有光滑且緻密的表面結構，故，所述金屬層112可以和所述奈米碳管單紗110形成良好的結合，不易脫落。所述金屬層112均勻的包覆於所述奈米碳管單紗110的外表面，其厚度為1微米到5微米。當所述金屬層112的厚度為1微米到5微米時，所述奈米碳管複合導線的電導率可以到達所述金屬層112中金屬的電導率的50%以上。當所述金屬層112的厚度太小時，例如小於1微米，一方面不能顯著提高所述奈米碳管複合導線的電導率，另一方面，還會使得該金屬層112在使用時容易被氧化，進一步降低所述奈米碳管複合導線的電導率及使用壽命。另外，實驗證明當所述金屬層112的厚度大於一定值時，例如大於5微米，所述奈米碳管複合導線的電導率不但不會顯著增加，還會額外增加所述奈米碳管複合導線的直徑。所述金屬層112的材料可以為金、銀、銅等導電性較好的金屬或合金。本實施例中，所述金屬層112為厚度約為5微米的銅，從而使該奈米碳管複合導線的電導率可以達到4.39×10⁷S/m，為金屬銅的電導率的75%左右。

所述金屬層112可以通過電鍍、化學鍍、蒸鍍等方法形成於所述奈米碳管單紗110的外表面，進而形成所述奈米碳管複合導線。

請參見圖5，本實施例中，所述奈米碳管複合導線的直徑約為35微米，其拉伸應力可以達到900MPa以上，為相同直徑下金線的9倍左右。另外，從圖中4還可以看出所述奈米碳管複合導線的拉伸應變率為3%左右。

所述第一、第二感應元件102a、102b的材料應當具有足夠的強度 和一定的抗腐蝕性能，以便能製成盡可能細的絲，保證第一、第二感應元件102a、102b具有較高的靈敏度、信噪比和頻率回應特性，同時具有良好的穩定性。奈米碳管複合導線通過同時優化所述奈米碳管單紗的直徑和撚度以及所述金屬層的厚度，可以具有良好的力學和機械性能。通過優化所述金屬層112的厚度，從而可以使所述金屬層112具有較好的抗氧化性能及耐用性能；通過優化所述奈米碳管單紗110的直徑和撚度，從而可以顯著提高所述奈米碳管複合導線的機械性能，因此，奈米碳管複合導線的直徑可以達到奈米級，作為感應元件使用時，可以使感應元件具有較高的靈敏度和頻率回應性能。另外，所述奈米碳管複合導線在使用時，即使所述金屬層被高溫熔斷，由於奈米碳管具有良好的耐熱性能，所述奈米碳管單紗也不會輕易斷路，從而還可以使所述奈米碳管複合導線保持通路狀態，進而提高所述奈米碳管複合導線的耐用性，延長了感應元件的使用壽命以及熱式質量流量計的使用壽命。

所述熱式質量流量計100在使用時，將探測器200置於待測流場中，第一感應元件102a和第二感應元件102b置於流場中。第一感應元件102a通入較小的電流，該電流較小基本不會對第一感應元件102a加熱，因此，第一感應元件102a的溫度等於流體的溫度。第二感應元件102b通入一個較大的電流，該電流較大，可以加熱第二感應元件102b，使第二感應元件102b的溫度高於流體的溫度。流體流動時，第二感應元件102b的熱量被帶走，使第二感應元件102b的溫度發生變化，從而使第二感應元件102b的電阻值發生變化。由於第一感應元件102a和第二感應元件102b均電連接於訊號接收器300中的電路中，第二感應元件102b的電阻值發生變化造 成電路中的電橋不平衡。即相當於探測器200傳遞給訊號接收器300的探測訊號。訊號接收器300將訊號傳遞給訊號處理器400，訊號處理器400將訊號進行處理計算之後，可以得到待測流場的流速，並通過顯示裝置500顯示出來。

102a‧‧‧第一感應元件

102b‧‧‧第二感應元件

104‧‧‧支撐結構

105‧‧‧導電支撐杆

106‧‧‧支撐座

200‧‧‧探測器

202‧‧‧保護罩

Claims (13)

1. 一種熱式質量流量計，包括一探測器、一訊號接收器及一訊號處理器，所述探測器、訊號接收器與訊號處理器之間相互電連接，所述訊號接收器用於接收探測器的訊號；所述訊號處理器用於將訊號接收器產生的訊號進行計算和處理；所述探測器包括一第一感應元件及一第二感應元件，所述第一感應元件一第二感應元件分別為一奈米碳管複合導線，其中，所述奈米碳管複合導線包括：一奈米碳管單紗，該奈米碳管單紗由複數個奈米碳管沿該奈米碳管單紗軸向旋轉加撚構成，該奈米碳管單紗的撚度為10轉/厘米到300轉/厘米，該奈米碳管單紗的直徑為50奈米到30微米；以及一金屬層，包覆於所述奈米碳管單紗的外表面，該金屬層厚度為50奈米到5微米。
2. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述第一感應元件和第二感應元件懸空設置、相互平行且彼此間隔。
3. 如請求項2所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述探測器進一步包括一支撐結構，該支撐結構包括四個導電支撐杆及一支撐座，每個導電支撐杆包括一第一端及一第二端，第二端固定於支撐座，第一端從支撐座上延伸出，所述第一感應元件的兩端分別固定於兩個導電支撐杆的第一端，所述第二感應元件的兩端分別固定於另外兩個導電支撐杆的第一端。
4. 如請求項2所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述探測器進一步包括一支撐結構，該支撐結構為一框體並包括四個側板，所述第一感應元件及第二感應元件的兩端分別固定於兩個相對的側板。
5. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述奈米碳管複合導線的直徑小於等於10微米。
6. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，當所述奈米碳管單紗的直徑小於10微米時，所述奈米碳管單紗的撚度為250轉/厘米到300轉/厘米。
7. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，當所述奈米碳管單紗的直徑為25微米到30微米時，所述奈米碳管單紗的撚度為100轉/厘米到150轉/厘米。
8. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述奈米碳管單紗中的複數個奈米碳管通過凡得瓦力緊密結合。
9. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述奈米碳管單紗中的複數個奈米碳管基本平行排列且沿該奈米碳管單紗軸向呈螺旋狀延伸。
10. 如請求項9所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述複數個奈米碳管中在延伸方向上相鄰的兩個奈米碳管之間通過凡得瓦力首尾相連。
11. 如請求項9所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述複數個奈米碳管中沿奈米碳管的徑向方向相鄰的兩個奈米碳管之間的間距小於等於10奈米。
12. 如請求項9所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述複數個奈米碳管中沿奈米碳管的徑向方向上相鄰的兩個奈米碳管之間的間距小於等於5奈米。
13. 如請求項1所述的熱式質量流量計，其改良在於，所述奈米碳管單紗具有光滑且緻密的表面結構。