探索氣體流量積算儀

摘要：介紹了一種新型的基于組合熱膜探頭的氣體流量積算儀。對該組合熱膜探頭的溫度特性進行了實驗研究，設計了具有溫度補償功能的測量電路，給出了用該探頭進行氣體流量測量的實驗數據。結果表明：該組合熱膜探頭在微小流量測量中具有較高的靈敏度和重復性，測量精度優于1％，測量范圍度達100：1。
0、引言
熱式流量傳感器是基于早期風速計的基礎上發展起來的一種新型氣體流量傳感器，具有壓損低、流量范圍大、精度高、無可動部件及低流量測量等優點，尤其在發動機的燃油噴射裝置上具有明顯的優勢。但傳感器的一致性較差，而且抗污染腐蝕能力差，易損壞，從而限制了它的進一步發展。熱膜氣體傳感器作為式傳感器的改進，其敏感元件采用微機械加工技術制成，具有體積小、成本低、穩定性好、度高、功耗低、響應時間短等特點，已得到了一定的應用。但是，在流量測量中需要外部增加溫度補償電路，傳感器補償過程操作繁瑣、耗時，而且補償效果較差，從而導致測量精度有所降低。
針對上述問題，在對各種熱膜探頭試驗研究的基礎上，提出了一種基于組合熱膜探頭的新型氣體流量積算儀，其探頭結構是將通電加熱的熱膜電阻與補償電阻組合在同一陶瓷基片上，形成組合熱膜探頭。其典型組成如圖1所示。

1、氣體流量測量原理
基于組合熱膜探頭氣體流量積算儀的物理基礎是熱傳遞，根據熱平衡原理，電流流過熱膜探頭所產生的熱量應該等于流體流過熱膜探頭所帶走的熱量。熱膜探頭的熱耗散主要是由
對流引起的，而對于圓柱形的熱膜探頭，因對流產生的熱傳遞關系式可以明確地表示。
KingLV對這個關系已進行了詳細的研究，因對流引起的熱耗散Qc為

式中：T，l，d分別為熱膜探頭的溫度、長度和直徑；K為火角指數；To，ρ，c。，ν分別為氣流的溫度、密度、定壓比熱和流速。式（1）可改寫成：

式中a，b為常數．而熱膜探頭單位時間內產生的熱量為

式中：R為熱膜探頭；TH為流過熱膜探頭的電流。當達到熱平衡時，有

因此，當熱膜探頭和空氣的溫度差（T-To）一定時，為Rh常數，供給熱膜探頭的電流就是空氣質量流量的衡量尺度。
電流，IH在R上的壓降U作為流量信號，通過放大處理輸出。這種工作方式為恒溫方式。恒溫型測量電路具有易于使用，頻率響應高，低噪聲等一系列優點.
2、組合熱膜探頭的溫度特性研究
由于恒溫型電路要求在測量的過程中，需要保證熱膜探頭的工作溫度與環境溫度的差值恒定，而溫度差值的大小與熱膜探頭的工作電流有關，工作電流越大，溫差越大，探頭的響應越高，但是探頭容易損壞，因此需要研究熱膜探頭中測量電阻Ru的溫度特性，選擇合適的工作電流。同時考慮到熱式流量傳感器的溫度補償。
熱膜探頭的溫度特性實驗方案如圖2所示，將熱膜探頭放置在溫度可調的恒溫箱中，給探頭加上一定電流，分別測量電壓V1和V2，并計算探頭溫度。

表1為電流30mA下的實驗數據。可以看出，在相同電流供電下，測量電阻的溫度與環境溫度之間的溫差基本不變。在不同的實驗條件下可以得到，在20mA工作電流時溫差基本為43℃左右，30mA工作電流時溫差基本為100℃左右，而40mA工作電流時溫差基本為205℃左右。

由于熱膜探頭工作電流為20mA時，溫差較低，探頭的靈敏度不高。工作電流40mA時，溫差太大，探頭容易損壞。工作電流在30mA左右，探頭靈敏度較高，而且溫差不是太大，探頭也不易損壞。因此，選用熱膜探頭的工作電流為30mA，即溫差100℃左右，在恒溫工作條件下，探頭溫度不隨氣體流速變化，但其靜態工作點將隨環境溫度的變化而變化。通過對組合熱膜探頭溫度特性的了解，將有助于溫度補償的研究和熱式流量計的設計。
溫度補償就是要使電路能自動地根據環境溫度的變化改變探頭的工作溫度，以便對相同的氣體流量給出與環境溫度變化無關的穩定輸出。對于式空氣流量計來說，常用的溫度
補償方法是利用惠斯登電橋，如圖3所示。其中的R為補償電阻，將其安放在與熱膜探頭R相同的流場中。通過在不同環境溫度下熱膜探頭熱耗散特性試驗，確定使輸出電壓保持基本恒定的電阻風和R，。
補償電阻設計的依據是熱膜探頭的溫度特性和補償電阻的電阻溫度參數。為了使傳感器輸出不隨環境溫度變化，理論上應滿足在任何環境溫度下：

也就是說，在環境溫度變化時，測量橋臂和補償橋臂上兩電阻之比的曲線應該重合。這樣就能夠實現對環境溫度的補償。
3、電路試驗及重復性分析
對于文中研究的組合熱膜探頭在鐘罩式氣體檢定裝置上做了測量流量的實驗，并做了重復性的實驗和分析來判定該組合熱膜探頭在氣體流速測量中的可行性。實驗是用鐘罩式氣體檢定裝置來控制流量的，從小到大控制氣體流量，這里只取3組具有代表性的實驗結果的數據來進行重復性的分析，實驗數據如表2所示。

這3組實驗數據中，第1組和第2組是在同一天測量的，分別為儀器重裝前和重裝后的數據，第3組是在第二天測得的數據。
從表2可知：電壓與流量之間具有較好的一一對應關系，就可以根據輸出的電壓來檢測流場中的流量。并且在相同的實驗條件下，重裝前和重裝后及不在同一天的情況下，當氣體流量相同時，3組實驗的輸出電壓值也基本相同，即3組實驗的輸出電壓重復性較好。這就表明該組合熱膜探頭測量氣體流量是可行的。