热式气体质量流量计基于对流换热的基本原理直接测量气体的质量流量,无需通过体积流量换算。为了克服传统的插入式热式质量流量计带来流动干扰、灵敏性不理想等缺点,本文提出一款基于MEMS温度传感器和流体流动的边界层理论的热式质量流量计,其精度高、量程宽、造价较低、可靠性高的特点。论文的主要研究内容和结论如下:首先,细致分析了基于MEMS传感器的热式质量流量计的有关物理原理和数学描述,包括流体边界层流动、管路的并联流量分配以及累计流量的积分计算等。其次,设计了带分支管和整流器的恒功率型热式气体质量流量计。利用传感器测量支管内气体的微小升温来反映管道内流体的质量流量,采用分支结构使流量计的测量范围扩大了接近100倍。第三,利用CFD技术对影响流量计性能的最关键要素即流道结构参数进行了详细的分析和讨论。所设计的流量计中流场呈稳定的层流流态,流体边界层内温度场对流速敏感,流场分支管和总管的流量比稳定,传感器测量温差的拐点即流量-温差特性曲线的饱和点与实验一致;在此基础上确定了多孔整流器孔分布的最佳方案和最佳厚度、传感器在流道放置的最佳位置、分支管的最佳长度和直径,形成了合理的热式质量流量计结构设计方案。第四,采用STM32L系列MCU模块和带有三个铂电极的MEMS温度传感器,设计了加热电极恒功率电路,并进行了样机制造。第五,采用N₂作为标定气体,推导出了不同气体的流量换算公式。对流量计性能包括其可靠性、重复性和示值误差等进行了测试,所得流量拐点和计算所得拐点吻合良好。最终测试结果表明本文设计的热式气体质量流量计符合相关国家标准,达到了预期的设计目标。