基于组合热膜探头的气体流量积算仪

　　0　引言

　　热式流量传感器是基于早期热线风速计的基础上发展起来的一种新型气体流量传感器,具有压损低、流量范围大、精度高、无可动部件及低流量测量等优点,尤其在发动机的燃油喷射装置上具有明显的优势。但热线传感器的一致性较差,而且抗污染腐蚀能力差,易损坏,从而限制了它的进一步发展[1-2]。热膜气体传感器作为热线式传感器的改进,其敏感元件采用微机械加工技术制成,具有体积小、成本低、稳定性好、精确度高、功耗低、响应时间短等特点,已得到了一定的应用。但是,在流量测量中需要外部增加温度补偿电路,传感器补偿过程操作繁琐、耗时,而且补偿效果较差,从而导致测量精度有所降低[3]。针对上述问题,在对各种热膜探头试验研究的基础上,提出了一种基于组合热膜探头的新型气体流量积算仪,其探头结构是将通电加热的热膜电阻与补偿电阻组合在同一陶瓷基片上,形成组合热膜探头[4]。其典型组成如图1所示。

　　1　气体流量测量原理

　　基于组合热膜探头气体流量积算仪的物理基础是热传递,根据热平衡原理,电流流过热膜探头所产生的热量应该等于流体流过热膜探头所带走的热量。热膜探头的热耗散主要是由对流引起的,而对于圆柱形的热膜探头,因对流产生的热传递关系式可以明确地表示[5]。

　　2　组合热膜探头的温度特性研究

　　由于恒温型电路要求在测量的过程中,需要保证热膜探头的工作温度与环境温度的差值恒定,而温度差值的大小与热膜探头的工作电流有关,工作电流越大,温差越大,探头的响应越高,但是探头容易损坏,因此需要研究热膜探头中测量电阻RH的温度特性,选择合适的工作电流。同时考虑到热式流量传感器的温度补偿[7]。热膜探头的温度特性实验方案如图2所示,将热膜探头放置在温度可调的恒温箱中,给探头加上一定电流I,分别测量电压V1和V2,并计算探头温度。

　　表1为电流30 mA下的实验数据。可以看出,在相同电流供电下,测量电阻的温度与环境温度之间的温差基本不变。在不同的实验条件下可以得到,在20 mA工作电流时温差基本为43℃左右, 30 mA工作电流时温差基本为100℃左右,而40mA工作电流时温差基本为205℃左右。

　　由于热膜探头工作电流为20 mA时,温差较低,探头的灵敏度不高。工作电流40 mA时,温差太大,探头容易损坏。工作电流在30 mA左右,探头灵敏度较高,而且温差不是太大,探头也不易损坏。因此,选用热膜探头的工作电流30mA,即温差100℃左右,在恒温工作条件下,探头温度不随气体流速变化,但其静态工作点将随环境温度的变化而变化。通过对组合热膜探头温度特性的了解,将有助于温度补偿的研究和热式流量计的设计。