熱膜式氣體質(zhì)量流量計(jì)

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是基于早期熱線風(fēng)速計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型氣體流量檢測儀表，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、醫(yī)學(xué)、汽車工業(yè)以及天然氣管道運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。目前，國內(nèi)有關(guān)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的研究和應(yīng)用尚處在初級階段，絕大多數(shù)產(chǎn)品都需要進(jìn)口，尤其是針對大中型管道的氣體流量測量的熱式氣體流量計(jì)。因此，研究熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)將對于我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有很大意義。本文在已研制單點(diǎn)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的基礎(chǔ)上，針對目前大口徑或不規(guī)則管道氣體質(zhì)量流量測量中存在的單點(diǎn)測量精確度不高、差壓式儀表壓損太大以及速度-面積法測量困難等問題，提出了基于多點(diǎn)測量的熱式氣體質(zhì)量流量測試方法。1測量原理及敏感元件溫度特性熱式質(zhì)量流量計(jì)根據(jù)加熱元件的不同，分為熱線式和熱膜式［1］p］。本文采用薄膜鉑電阻（鉑膜電阻或鉑膜探頭）作為敏感元件。鉑膜電阻作為一種新型的感溫元件，具有尺寸小、響應(yīng)快、易于與集成電路相匹配的特點(diǎn)，且具有測溫范圍寬、精度高、線性好、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。在溫度補(bǔ)償、溫度及流量的測量和控制等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。鉑膜電阻在作為流量傳感器使用時，由于探頭散熱條件與環(huán)境溫度有極大關(guān)系，其信號輸出將受環(huán)境溫度變化的影響。為了定量地掌握熱膜探頭的溫度特性，我們根據(jù)熱式流量計(jì)加熱探頭工作溫度范圍，對熱膜探頭在不同環(huán)境溫度下進(jìn)行溫度特性試驗(yàn)。將熱膜探頭放置在溫度可調(diào)的恒溫箱中，給探頭加上某一恒定工作電流I，在不同的工況條件下，測量探頭兩端電壓V，然后計(jì)算熱膜探頭電阻。熱膜探頭溫度特性實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。圖1熱膜探頭溫度特性實(shí)驗(yàn)裝置由于熱膜探頭的工作溫度很難精確測量，因此在靜態(tài)溫度特性實(shí)驗(yàn)中，首先建立熱膜探頭工作電阻隨溫度變化的曲線，即在熱膜探頭無自熱效應(yīng)的前提下（工作電流W1mA），熱膜探頭電阻隨環(huán)境溫度變化趨勢。根據(jù)實(shí)際情況，本文選用Pt20熱膜探頭作為試驗(yàn)研究對象。熱膜探頭在無自熱效應(yīng)下，熱膜探頭電阻隨環(huán)境溫度變化關(guān)系如圖2所示：907030O907030O￡642O322222E電頭探膜熱=-2E-06x2+0.0795x+19.968.環(huán)境溫度/°C圖2熱膜探頭電阻隨溫度變化曲線由熱膜探頭靜態(tài)溫度特性曲線建立熱膜探頭電阻R與環(huán)境溫度'之間的關(guān)系：tR=19.968(1+3.981X10-3xt-1.002x10-712) ⑴工業(yè)上采用薄膜鉑電阻作為測溫元件，主要是利用鉑電阻在無自熱效應(yīng)前提下R-1特t性，一般情況下通過鉑電阻的電流不大于1mA。本文是利用薄膜鉑電阻作為加熱元件，通以較大的電流，利用其自身的熱效應(yīng)，使鉑膜探頭達(dá)到一定的工作溫度，作為測量氣體流量敏感元件。將熱膜探頭在不同實(shí)驗(yàn)條件下(U=0和U尹0)通以相同的電流(I=70mA)，其電阻Rt與環(huán)境溫度t間關(guān)系如圖3所示。5050544332Q5050544332Q血電頭探膜熱200 20 40 60 80 100 120環(huán)境溫度/°C

圖3熱膜探頭在不同實(shí)驗(yàn)條件下電阻隨環(huán)境溫度變化曲線熱膜探頭在靜態(tài)的實(shí)驗(yàn)條件下(U=0)，對熱膜探頭通以不同的工作電流，其電阻R與環(huán)境溫度t間關(guān)系如圖4所示。

環(huán)境溫度/°cQ環(huán)境溫度/°cQ血電頭探膜熱圖4熱膜探頭在不同工作電流下電阻隨環(huán)境溫度變化曲線通過對圖3、圖4分析，可以得出:熱膜探頭工作在恒流狀態(tài)下，其電阻隨環(huán)境溫度的變化而近乎線性的變化，即熱膜探頭工作溫度與環(huán)境溫度之差t基本保持不變。熱膜探頭在不同工況下由其強(qiáng)迫對流造成的熱耗散不隨環(huán)境溫度的變化而變化。如對于本文中選用的熱膜探頭由強(qiáng)迫對流造成的熱耗散約為31mW。熱膜探頭工作溫度隨工作電流的增大而增加。如在環(huán)境溫度為20C下，I=50mA時，熱膜探頭工作溫度約為77C；I=70mA時，熱膜探頭工作溫度約為142C；I=90mA時，熱膜探頭工作溫度約為256C。所以我們可以通過選擇熱膜探頭的工作電流來確定熱膜探頭的工作溫度。2溫度校正分析校正法，即需要一個獨(dú)立的溫度傳感器檢測環(huán)境溫度［，然后將［插入到選擇的熱傳遞關(guān)系式中。在這種方法中，熱膜探頭工作在恒阻狀態(tài)下。隨著計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，目前有關(guān)熱式質(zhì)量流量計(jì)的溫度校正大部分采用的是分析校正法［7,8］。分析校正的關(guān)鍵是確定熱膜風(fēng)速計(jì)的熱傳遞關(guān)系式，即輸出信號與風(fēng)速和溫度的函數(shù)關(guān)系。目前有關(guān)風(fēng)速計(jì)溫度校正方面的研究基本上都是確定熱傳遞公式［7~9］。自動校正法，即在惠登斯電橋中加入一個溫度傳感器，對環(huán)境溫度變化自動進(jìn)行補(bǔ)償。此時熱膜探頭工作在非恒阻狀態(tài)下。采用的自動校準(zhǔn)方法是將惠登斯電橋中與熱膜探頭相對的橋臂電阻改成包含補(bǔ)償電阻的串并聯(lián)電路，圖7所示。其中的RC為具有正溫度系數(shù)的鉑電阻，將其安放在與熱膜探頭Rw相同的流場中。補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的依據(jù)是熱膜探頭的溫度特性和補(bǔ)償鉑電阻的電阻溫度參數(shù)。為了使傳感器輸出不隨環(huán)境溫度變化，理論上應(yīng)滿足在任何環(huán)境溫度下：（2）RR（2）—a=—bR^R其中：r'=（5+"R為與熱膜探頭相對的橋臂電阻。cR+R+R根據(jù)上述設(shè)計(jì)原則，選取合適的參數(shù)（R、R、R），使得當(dāng)環(huán)境溫度變化時，R與Rxyc cw的比值保持不變。李長武1,梁國偉2（1.上海理工大學(xué)光學(xué)與電子信息工程學(xué)院，上海200093；2.中國計(jì)量學(xué)院計(jì)量技術(shù)工程學(xué)院，浙江杭州310018）摘要：利用熱式空氣流量傳感器直接測量空氣質(zhì)量流量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于測量I勺燃機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)氣量的熱線式空氣流量傳感器。通過對傳感器輸出信號進(jìn)行溫度補(bǔ)償、放大及線性化處理，其輸出電壓與質(zhì)量流量近似呈線性關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：熱線式空氣流量傳感器應(yīng)于汽車電噴系統(tǒng)中，可以為發(fā)動機(jī)提供準(zhǔn)確的進(jìn)氣質(zhì)量流量。關(guān)鍵詞：熱式流量傳感器；質(zhì)量流量；熱線；溫度補(bǔ)償；線性化HOt-WireairnlowSenSOrformotorLIChang—WU1,LIANGCuO—wei2(1.CoilofOpticsandElctEngin,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China；2.CoilofMetrologyTechandEngin,ChinalnstituteofMetrology,Hangzhou310018,China)Abstract：Thecharacteristieofwhichthermalairflowsensorcandirectlymeasureairmassfiowisused,ahotwireairflowsensorwhichcanbeappliedtointakesystemforaninternalcombustionengineisdesigned.Theairflowsensoroutlputsignaliscompensated,magnifiedandlinearizedintherangeoftemperature,relationoftheoutputvoltageit,ldmassflowisapproximatelylinearity.Theexperimentresultsshowhot-wireairflowsensorappliedtoelectromicjetsystemofmotor,canprovideaccurateinformationabouttheairmassflowfortheengine.Keywords：thermalflowsensor；massflow；hot-wire；temperature-compensating；linearization0引言空氣流量傳感器用廠現(xiàn)代汽車汽油噴射系統(tǒng)中，安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門體之間，用來測定吸入發(fā)動機(jī)中的空氣量的多少，作為決定基本噴油量的參數(shù)。電子控制汽油噴射式發(fā)動機(jī)為了在各種運(yùn)轉(zhuǎn)工況下都能獲得最佳濃度(空燃比)的混合氣，必須正確地測定每一瞬間吸人發(fā)動機(jī)的空氣量，作為電控單元(ECU)計(jì)算并控制噴油量的主要依據(jù)。目前，應(yīng)用于汽車發(fā)動機(jī)的空氣流量傳感器大致可分為兩大類；…，由于熱線(膜)式質(zhì)量型空氣流量傳感器能直接測出空氣質(zhì)量流量，具有測量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，因此，該類型空氣流量傳感器已在現(xiàn)代汽車發(fā)動機(jī)上廣泛應(yīng)用。由于熱線式和熱膜式的工作原理相同，本文僅對熱線式空氣流量計(jì)的I：。作原理、溫度補(bǔ)償和輸出特性進(jìn)行探討。1.1工作原理熱線式空氣流量傳感器是建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上的。其工作原理如圖㈠聽示c在空氣通道中放置熱線(鉑絲)RH,當(dāng)空氣通過流量汁時，熱線被冷卻，工作溫度下降，其電阻值隨之減小，電橋失去平衡，此時集成運(yùn)算放大器會自動增加供給熱線的電流，使熱線恢復(fù)原來的工作溫度和電阻值，直至電橋恢復(fù)平衡。1進(jìn)氣2集成運(yùn)算放大器3輸出信號(E)R1，R2，R3電阻器Rc補(bǔ)償電阻器Rh熱線電阻器圖1熱線式空氣流量傳感器電路原理圖Fig1PriciplediagramofhOt-wireairnOwsenSOrCirCU1.2數(shù)學(xué)模型根據(jù)熱平衡原理，熱線中的熱產(chǎn)生應(yīng)該等于熱耗散。即在熱線沒有熱傳導(dǎo)的情況下，加熱電流在熱線中產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體所帶走的熱量。對于有限長的熱線，在穩(wěn)定情況下總的熱耗散率為：H=Qc+Qk+Qr式中H為熱線總的熱耗散率；Qc為對流引起的熱耗散率；QK為熱線對支桿的熱傳導(dǎo)引起的熱耗散率；QR為熱線的熱輻射引起的熱耗散率：由于大多數(shù)場合，熱線與周圍的流體溫度差小于300r，輻射熱QR可以忽略；且熱線的長細(xì)比很大的情況下(1/d=x)，熱線對支架的熱傳導(dǎo)0K與Qc相比可以忽略不計(jì)，所以，熱線的熱耗散主要是由對流引起的。由熱線熱耗散規(guī)律，Qc可以表示為式中』為熱埃坨度.叩』為熱線直％岫5為管流挽填系數(shù).ft/Cni-幻；7；為熱技溫度7；為流降睨度山， 引入無就抱殷W由5數(shù),％=尹以King公式?和=偵*占占產(chǎn)H幾“'，，趨線焦槌敢率可母占示為, (I)式中為為旅體熬傳*辛部「=罕、于是饋)蓮-匚).式中隊(duì)由為常數(shù)滬，為空x成峰流速.呼七血鳩姓職位時間內(nèi)產(chǎn)匕的周耳熱為者達(dá)到煎平衡時、即有/不NTHI.)一因此，當(dāng)熱線和空氣的溫度差(Th-T8一定時，供給熱線的電能就是空氣質(zhì)量流量的衡量尺度。熱線式空氣流量傳感器的輸出信號E可以表示為：E=c+kqnm(2)式中E為熱線式空氣流量傳感器輸出信號，V；qm為空氣質(zhì)量流量，g/s；c，k，n均為常數(shù)。2熱線式空氣流量傳感器的溫度補(bǔ)償盡管熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(E)直接反映廠空氣質(zhì)量流量，但由于空氣的熱傳導(dǎo)、密度、粘性以及空氣與熱線之間的溫差都和空氣的溫度緊密相關(guān)，因此，空氣溫度的改變必然會導(dǎo)致熱線式空氣流量傳感器的輸出信號的改變。由式(1)可知，在相同的空氣質(zhì)量流速pv下，環(huán)境溫度了撼的變化會影響熱線的熱耗散率，進(jìn)而影響傳感器的輸出電壓，因而有必要對由廠環(huán)境溫度變化而引起流量傳感器輸出信號變化的情況進(jìn)行修正，即溫度補(bǔ)償。溫度補(bǔ)償?shù)幕舅枷刖褪侨藶榈鼗蜃詣拥馗淖兠舾性臏囟龋员銓ο嗤牧黧w流量給出與溫度變化無關(guān)的相同輸出；或者說敏感元件的溫度總是被調(diào)整到使空氣流量傳感器的輸出與溫度無關(guān)的溫度上。對于熱線式空氣流量傳感器來說，常用的溫度補(bǔ)償方法是將惠斯登電橋中與熱線斜對的電阻改成串聯(lián)并聯(lián)電路，如圖2所示。其中，Rc為具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻器，將其安放在與熱線RH相同的流場中。通過在不同環(huán)境溫度下熱線探頭熱耗散特性試驗(yàn)，確定使輸出電壓保持基本恒定的串聯(lián)電阻器R2和并聯(lián)電阻器Rb。圖2溫度補(bǔ)償電路原理圖Fig2PrinciplediagramOftemperature-compensatingcircuit將經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)臒峋€空氣流量傳感器與未經(jīng)過溫度補(bǔ)償?shù)臒峋€空氣流量傳感器作對比試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。溫度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果表明：熱線式空氣流量傳感器經(jīng)溫度補(bǔ)償后，大大減少了環(huán)境溫度對其輸出產(chǎn)生的影響。溫度業(yè)湛度補(bǔ)建輸出［T）無皿補(bǔ)燧輸出（V）2&1,(M0那]-0?41.025401.0?20,98450L0J7C.92I表1溫度補(bǔ)償試驗(yàn)結(jié)果Tab1Temperature-compensatingexperimentresults3熱線式空氣流量傳感器的輸出信號線性化熱線式空氣流量傳感器由兩部分組成：一部分是傳感探頭恒溫控制電路（constanttemperaturecontrolcircu㈠；另一部分是信號調(diào)節(jié)電路（signalcondi“oningcircu如圖3所示。

圖3熱線式空氣流量傳感器電路框圖Fig3BlockdiagramOfhot-wireairflowsensorcircuit恒溫控制電路主要是保持傳感探頭(熱線)溫度與環(huán)境溫度的溫差恒定；信號調(diào)節(jié)電路主要是對流量傳感器的檢測信號進(jìn)行放大和線性化處理。由式(2)可知，熱線式空氣流量傳感器的輸出與空氣質(zhì)量流量之間是非線性關(guān)系。從測量的角度來看問題，任何非線性關(guān)系都是不利的，因?yàn)檫@給使用和標(biāo)定帶來困難，因而有必要對熱線式空氣流量傳感器的輸出信號進(jìn)行線性化處理。常用的線性化方法有:折線近似法、多項(xiàng)式近似法、微處理機(jī)修正等。針對熱線式空氣流量傳感器，采用常用的線性化方法有:了多項(xiàng)式近似線性法，原理框圖如圖4所示。圖4多項(xiàng)式近似線性化框圖Fig4BlockdiagramOfmultinomial—linearization通過對熱線式空氣流量傳感器的輸出信號進(jìn)行多項(xiàng)式線性化處理，利用matlab對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到熱線式空氣流量傳感器輸出線性擬合方程為Vout=1.1+0.11qm，式中Vout為熱線式空氣流量傳感器輸出電壓，V。4測試結(jié)果將研制的熱線式空氣流量傳感器放在汽車上試驗(yàn)，使用故障閱讀器V.A.G1551和汽車系統(tǒng)測試儀V.A.G1552對熱線式空氣流量傳感器進(jìn)行測試，將測試的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)的BOSCH熱膜式空氣流量傳感器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如圖5所示。0BOSCH熱脫式空氣溫度作感器

3- 1設(shè)計(jì)熱鼓式空氣魂量傳魁器!■仆L _ L 一—J.一一0 2 4 6 8 10 12 14質(zhì)秘流量值圖5熱線式空氣流量傳感器測試結(jié)果Fig5TestingresultOfhot-wireairflowsensor5結(jié)論(1)熱線式空氣流量傳感器可直接測量電噴發(fā)動機(jī)進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量，但需要對空氣溫度的變化進(jìn)行修正；(2)傳感器響應(yīng)時間對汽車運(yùn)行性能有較大影響，其階躍響應(yīng)時間應(yīng)不大于100ms；(3)所研制的傳感器動態(tài)響應(yīng)快、測量準(zhǔn)確度高、測量重復(fù)性好，應(yīng)用于汽車電噴系統(tǒng)中，其性能指標(biāo)完全滿足要求.2、 熱線式空氣流量計(jì)構(gòu)成：我們來看書上的結(jié)構(gòu)圖，它的基本構(gòu)成包括感知空氣流量的白金熱線、根據(jù)進(jìn)氣溫度進(jìn)行修正的溫度補(bǔ)償電阻（冷線）、控制熱線電流的控制電路以及殼體等。根據(jù)白金熱線在殼體內(nèi)安裝部位的不同，可分為安裝在空氣主通