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(lái)的一種新型氣體流量檢測(cè)儀表，已廣泛應(yīng)用于航空、航天、能源、醫(yī)學(xué)、汽車(chē)工業(yè)以及天然氣管道運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。目前，國(guó)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(jí)階段，絕大多數(shù)產(chǎn)品都需要進(jìn)口，尤其是針對(duì)大中型管道的氣體流量測(cè)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(duì)于我國(guó)國(guó)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(duì)目前大口徑或不規(guī)則管道氣體質(zhì)量流量測(cè)量中存在的單點(diǎn)測(cè)量精確度不高、差壓式儀表壓損太大以及速度-面積法測(cè)量困難等問(wèn)題，提出了基于多點(diǎn)測(cè)量的熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)試方法。1測(cè)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(cè)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(cè)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(shí)，由于探頭散熱條件與環(huán)境溫度有極大關(guān)系，其信號(hào)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(duì)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(cè)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(cè)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(wú)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(shì)。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(duì)象。熱膜探頭在無(wú)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(cè)溫元件，主要是利用鉑電阻在無(wú)自熱效應(yīng)前提下R-1特t性，一般情況下通過(guò)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(cè)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(duì)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(guò)對(duì)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(duì)流造成的熱耗散不隨環(huán)境溫度的變化而變化。如對(duì)于本文中選用的熱膜探頭由強(qiáng)迫對(duì)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(shí)，熱膜探頭工作溫度約為77C；I=70mA時(shí)，熱膜探頭工作溫度約為142C；I=90mA時(shí)，熱膜探頭工作溫度約為256C。所以我們可以通過(guò)選擇熱膜探頭的工作電流來(lái)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(gè)獨(dú)立的溫度傳感器檢測(cè)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(hào)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(dòng)校正法，即在惠登斯電橋中加入一個(gè)溫度傳感器，對(duì)環(huán)境溫度變化自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)熱膜探頭工作在非恒阻狀態(tài)下。采用的自動(dòng)校準(zhǔn)方法是將惠登斯電橋中與熱膜探頭相對(duì)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(chǎng)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(mǎn)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(duì)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(shí)，R與Rxyc cw的比值保持不變。李長(zhǎng)武1,梁國(guó)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(guó)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(cè)量空氣質(zhì)量流量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于測(cè)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(guò)對(duì)傳感器輸出信號(hào)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(chē)電噴系統(tǒng)中，可以為發(fā)動(dòng)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(chē)汽油噴射系統(tǒng)中，安裝在空氣濾清器和節(jié)氣門(mén)體之間，用來(lái)測(cè)定吸入發(fā)動(dòng)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(dòng)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(cè)定每一瞬間吸人發(fā)動(dòng)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(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的空氣流量傳感器大致可分為兩大類(lèi)；…，由于熱線(膜)式質(zhì)量型空氣流量傳感器能直接測(cè)出空氣質(zhì)量流量，具有測(cè)量準(zhǔn)確度高、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，因此，該類(lèi)型空氣流量傳感器已在現(xiàn)代汽車(chē)發(fā)動(dòng)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(duì)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(tīng)示c在空氣通道中放置熱線(鉑絲)RH,當(dāng)空氣通過(guò)流量汁時(shí)，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(shí)集成運(yùn)算放大器會(huì)自動(dòng)增加供給熱線的電流，使熱線恢復(fù)原來(lái)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(hào)(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(méi)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(duì)于有限長(zhǎng)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(duì)流引起的熱耗散率；QK為熱線對(duì)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(chǎng)合，熱線與周?chē)牧黧w溫度差小于300r，輻射熱QR可以忽略；且熱線的長(zhǎng)細(xì)比很大的情況下(1/d=x)，熱線對(duì)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(duì)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(wú)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(shí)間內(nèi)產(chǎn)匕的周耳熱為者達(dá)到煎平衡時(shí)、即有/不NTHI.)一因此，當(dāng)熱線和空氣的溫度差(Th-T8一定時(shí)，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(hào)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(hào)，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(hào)(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(huì)導(dǎo)致熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)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(huì)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(duì)由廠環(huán)境溫度變化而引起流量傳感器輸出信號(hào)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?dòng)地改變敏感元件的溫度，以便對(duì)相同的流體流量給出與溫度變化無(wú)關(guān)的相同輸出；或者說(shuō)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(wú)關(guān)的溫度上。對(duì)于熱線式空氣流量傳感器來(lái)說(shuō)，常用的溫度補(bǔ)償方法是將惠斯登電橋中與熱線斜對(duì)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(chǎng)中。通過(guò)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(guò)溫度補(bǔ)償?shù)臒峋€空氣流量傳感器與未經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)臒峋€空氣流量傳感器作對(duì)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(duì)其輸出產(chǎn)生的影響。溫度業(yè)湛度補(bǔ)建輸出［T）無(wú)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(hào)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(hào)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(hào)調(diào)節(jié)電路主要是對(duì)流量傳感器的檢測(cè)信號(hào)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(cè)量的角度來(lái)看問(wèn)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(lái)困難，因而有必要對(duì)熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)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(duì)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(guò)對(duì)熱線式空氣流量傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行多項(xiàng)式線性化處理，利用matlab對(duì)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(cè)試結(jié)果將研制的熱線式空氣流量傳感器放在汽車(chē)上試驗(yàn)，使用故障閱讀器V.A.G1551和汽車(chē)系統(tǒng)測(cè)試儀V.A.G1552對(duì)熱線式空氣流量傳感器進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)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(duì)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(cè)試結(jié)果Fig5TestingresultOfhot-wireairflowsensor5結(jié)論(1)熱線式空氣流量傳感器可直接測(cè)量電噴發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣空氣質(zhì)量流量，但需要對(duì)空氣溫度的變化進(jìn)行修正；(2)傳感器響應(yīng)時(shí)間對(duì)汽車(chē)運(yùn)行性能有較大影響，其階躍響應(yīng)時(shí)間應(yīng)不大于100ms；(3)所研制的傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量準(zhǔn)確度高、測(cè)量重復(fù)性好，應(yīng)用于汽車(chē)電噴系統(tǒng)中，其性能指標(biāo)完全滿(mǎn)足要求.2、 熱線式空氣流量計(jì)構(gòu)成：我們來(lái)看書(shū)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