第一章 熱式質量流量計的概要

1. 熱式質量流量計

質量流量計是一種使用比較新的測量原理、能夠在考慮了溫度和壓力影響的情況下測量質量,適用於精確測量和壓縮性流體(如氣體)等場景,近年來迅速普及。質量流量計大致可以分為科氏力式和熱式。這次主要對除蒸汽以外的氣體的流量測量中使用的熱式質量流量計以及本公司流速感測器式質量流量計進行說明。

熱式質量流量計的歷史與展望

其歷史意外短暫,起源于NASA火箭開發的試驗研究用途。隨後,隨著半導體製造產業的迅猛發展,特別是在擴散爐等半導體薄膜成型工藝中取得了顯著進展。近年來,以工廠節能為目的的單位能耗管理、合理使用量管理、部門分類管理以及燃料電池・醫療・生物等的試驗研究、氣體的商務交易、醫院內氣體的使用量管理等,適用領域正在急速擴大。

熱式質量流量計的原理

如果從原理公式解釋熱式質量流量計的原理,就變得比較困難,簡單來說就是“利用氣體所具有的熱擴散作用進行流量測量的原理”。由於傳播的熱量隨著氣體的壓縮程度而變化,因此感測器本身具有與質量流量成正比的輸出特性。


氣體是可壓縮流體,因此以往熟知的體積流量計在精確測量時需要使用波以耳-查理定律進行溫度和壓力補償。而熱式質量流量計在經過標準流量校準後,可以高精度地測量質量流量。

 

2. 熱式質量流量計 四種分類

熱式質量流量計根據測量感測器的不同主要分為⑴毛細管式、⑵熱線式、⑶熱電偶式、⑷MEMS式(流速感測器式)。

(1) 毛細管式

是指在稱為層流元件的整流部分上設置旁路流路來進行流量測量的一種“推測式測量法”。它是熱式流量計中最常見的原理,在半導體製造工藝中的氣體控制中得到了廣泛應用。
氣體和感測器部分不直接接觸流體,因此可以測量腐蝕性氣體,並可以對氣體接觸面進行電解拋光等清潔處理。另一方面,層流元件具有較大的壓降,因此不能用於低壓氣體的測量。此外,毛細管部分和主要部分的比例在一定條件下可以保持精度,因此在一次壓力發生較大變化的情況下,壓降特性會變大。

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熱式流量計 キャピラリ式
圖1 氣體微小流量用流量計

(2) 熱線式

通過管內設置的熱線(加熱部)和溫度感測器進行流速測量。 由於需要整流機構,一直以來直管部都很長,但隨著金屬網等內置整流機構型的開發,也出現了不需要直管部的產品。 擅長測量較高流速區域,多用於測量壓縮空氣和氮氣等相對于配管口徑具有高流速的氣體。

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熱線式 流量計
図1.2 気体小〜大流量用流量計

(3)  熱電偶式(熱電堆式)

顧名思義,該原理只能測量熱電偶的溫度變化。通常在流速相對較高的區域進行測量,與前述的毛細管式相似,常見的結構是將熱電偶感測器直接插入到測量物件中,只測量感測器部分的溫度變化。這種方式在高流速和大流量測量應用中被廣泛採用。

(4) MEMS式(流速感測器式)

這是熱式流量計中最新的一種方式。透過使用由矽晶片製成的MEMS式流量感測器,將感測器部分的熱容量降低,使其測量範圍更廣,可測量以往難以測量的極低壓氣體。此外,該方式原理上支援雙向流量測量,並且功耗非常低,可以使用電池供電。

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mems_原理
図4.2 マイクロフローセンサチップ
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mems2
図4.2 マイクロフローセンサの計測原理(A-A' 断面)