熱式質(zhì)量流量計(jì)的原理是通過(guò)溫度和傳熱量來(lái)計(jì)算流體的質(zhì)量流量。其中溫度探頭的溫度測(cè)量是核心關(guān)鍵參數(shù)。我們知道理論上溫度探頭測(cè)試到的溫度，應(yīng)該與來(lái)流工況實(shí)時(shí)匹配，但是實(shí)際情況卻往往不是這樣。其主要原因是溫度探頭擁有質(zhì)量，所以有熱容，整個(gè)探頭的能量平衡實(shí)際上遵循這樣一個(gè)規(guī)律，溫度探頭獲得的能量變化量，等于對(duì)流換熱量與加熱量之差。
即可以用下式來(lái)表示：

其中是指探頭溫度的能量變化量，它直接導(dǎo)致了探頭溫度的變化，可以用下式表示：

其中c是指探頭材料的比熱容，m代表探頭的質(zhì)量，代表探頭溫度的改變量。我們前邊說(shuō)到，只有當(dāng)溫度探頭熱平衡時(shí)測(cè)量的溫度才能用于準(zhǔn)確的流量計(jì)算。也就是說(shuō)當(dāng)等于時(shí)，這個(gè)時(shí)候探頭的溫度不變。在這種熱平衡狀況下，溫度探頭測(cè)量的溫度才是流量計(jì)算所需要的有效溫度。

所謂的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的響應(yīng)速度就是指從流量變化，到溫度探頭測(cè)量溫度的變化量趨于0的時(shí)間間隔。從公式16和公式17我們可以看到，假設(shè)加熱量和對(duì)流換熱因?yàn)楦鞣N限制（例如，材質(zhì)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求）條件無(wú)法大幅變化，材料的比熱容也相差不大的情況下。改變探頭的尺寸能大幅的減少探頭質(zhì)量，顯著提高溫度探頭的響應(yīng)速度，從而大幅提高熱式質(zhì)量流量計(jì)的響應(yīng)速度。需要注意的是，這里的溫度探頭質(zhì)量，不只是溫度傳感器的質(zhì)量，也包括與溫度傳感器密切接觸的安裝結(jié)構(gòu)或者封裝結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。

毛細(xì)管式熱式質(zhì)量流量計(jì)原理圖    圖5

 毛細(xì)管式熱式質(zhì)量流量計(jì)    圖6

硅基熱式流量傳感器芯片應(yīng)用原理圖 圖7

利用硅基熱式傳感器芯片制作的熱式傳感器    圖8

最近一百年里，為了將熱式溫度探頭的質(zhì)量縮小已經(jīng)做了大量的工作。從最開始的熱絲，發(fā)展到毛細(xì)管，最后是半導(dǎo)體的納米結(jié)構(gòu)，可以說(shuō)幾乎達(dá)到了技術(shù)的極致。目前熱絲因其強(qiáng)度太低，容易損壞，同時(shí)易受污染，所以除少數(shù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)外已很少使用；毛細(xì)管目前是氣體熱式質(zhì)量流量計(jì)的主流做法，特別對(duì)于小微氣體流量測(cè)量是精度、重復(fù)性、響應(yīng)速度最佳的一種。目前毛細(xì)管的尺寸已經(jīng)小于1毫米，而加熱絲（一般為鉑金絲）直徑已經(jīng)小于0.2毫米，由于結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度的穩(wěn)定性要求，這個(gè)尺寸已趨于極限，最近10年來(lái)已沒有顯著進(jìn)展。半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)的熱式傳感器（這就是常說(shuō)的熱式芯片技術(shù)）主要用于汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量測(cè)量等，這些領(lǐng)域?qū)r(jià)格和尺寸比較敏感。從微尺度方向設(shè)計(jì)傳熱結(jié)構(gòu)確實(shí)有其優(yōu)勢(shì)，它的響應(yīng)速度快于毛細(xì)管式，極限速度能夠達(dá)到0.5秒這個(gè)水平（毛細(xì)管的極限水平在1秒左右），這也基本達(dá)到了它的技術(shù)極限，最近10年沒有明顯進(jìn)步。
最后我埋個(gè)伏筆在這個(gè)地方，說(shuō)說(shuō)層流原理質(zhì)量流量計(jì)的響應(yīng)速度。層流原理質(zhì)量流量計(jì)的極限響應(yīng)速度能夠達(dá)到快于1毫秒（相當(dāng)于1秒的1000分之一），所以其響應(yīng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱式，具體原理我們將在下一期詳細(xì)介紹。