熱式空氣質量流量計是一種常見的質量流量計, 其工作原理是基于加熱元件在空氣流動中的熱傳遞, 通過檢測管道內空氣與流量傳感器之間的熱量交換關系來測量空氣流量[1]。它具有壓損小、量程比寬、精度高、重復性好和可靠性高等優(yōu)點, 可用于測量溫度極低氣體流量。因此, 它被廣泛應用于航空航天、能源、醫(yī)療和汽車工業(yè)等[2]。

本文設計了一種基于恒溫差的熱式空氣流量計。該傳感器將2個鉑膜電阻集成在陶瓷基片上, 通過鉑膜電阻被氣體帶走的熱量變化來測量氣體流量。實驗結果表明, 該熱式流量計具有響應速度快、測量范圍寬、測量精度高和重復性好等優(yōu)點。

目前, 大多數(shù)熱式空氣質量流量計是保持加熱元件表面溫度恒定, 根據(jù)電流的變化來測量空氣的流量, 被稱為恒溫差熱式空氣質量流量計[3-4]。本文設計的流量計采用2個金屬鉑電阻, 分布在惠斯登電橋的兩臂, 分別用于測量空氣的溫度 (測溫探頭) 和空氣的速度 (測速探頭) 。在測量電路中, 通過運算放大器的負反饋改變電橋中的電流以保證測速探頭與測溫探頭的溫度差恒定。通過增大測速探頭的電流以對其進行加熱, 使之與流經(jīng)管道的空氣產生熱交換, 由于換熱量與質量流量成正比, 故可以測得空氣的流速。測溫探頭則用于測量管道空氣環(huán)境溫度, 以實現(xiàn)環(huán)境溫度補償。

熱式空氣流量計采用恒溫差惠斯登橋式模塊測量空氣的流速, 其原理如圖1所示。

其中, Rh是測速鉑電阻, Rs為測溫鉑電阻, R2和R3為串聯(lián)Rh的基準電阻, R1為串聯(lián)Rs的基準電阻, R6電阻用來穩(wěn)定電路, R5電阻使電路上電瞬間能夠正常工作。

熱式空氣流量計所采用的微型流量傳感器置于空氣管道中, 當氣體流量發(fā)生變化時, 惠斯登電橋失去平衡, 橋路的不平衡電壓經(jīng)運算放大器反饋到橋路, 改變電橋的電流以實現(xiàn)電功率調節(jié), 使電橋重新達到平衡。根據(jù)熱力學原理[5], 提供給測速鉑電阻Rh的電功率等于空氣所帶走的熱量, 即

式中:Ih為通過Rh的電流;h為表面平均傳熱系數(shù);A為測速探頭的表面積;T為測速探頭的溫度;T0為測溫探頭所檢測到的空氣溫度, 即管道內的空氣環(huán)境溫度。

h A與空氣流量q滿足如下關系:

式中:k1, k2為常數(shù)。

聯(lián)立式 (1) 和式 (2) , 得到空氣流量q與測速探頭電流Ih的關系式為

式中ΔT=T-T0。

由式 (3) 可知, 通過恒溫差惠斯登橋式模塊保持測速電阻與測溫電阻的溫差ΔT不變, 從而利用Ih計算出空氣流量q。

熱式空氣流量計主要由微型流量傳感器組成, 具有響應速度快的優(yōu)點, 可以保持較高的測量精度。微型流量傳感器內集成測速鉑電阻和測溫鉑電阻, 其中測溫鉑電阻選用Pt1200, 測速鉑電阻選用Pt45。微型流量傳感器結構示意圖如圖2所示。

根據(jù)上述空氣流量測量的原理, 設計了熱式空氣流量計。它的總體結構圖如圖3所示, 包括恒溫差惠斯登橋式模塊、電壓跟隨模塊、A/D轉換模塊、單片機模塊、D/A轉換模塊以及VI模塊。

恒溫差惠斯登橋式模塊用于檢測空氣流量信號, 并對空氣環(huán)境溫度進行補償;電壓跟隨模塊用于降低輸出阻抗;A/D轉換模塊用于對恒溫差惠斯登橋式模塊的電壓信號進行采樣;單片機模塊主要用于對A/D轉換模塊輸出的信號進行濾波和運算處理, 其內部有看門狗電路, 可對系統(tǒng)進行保護;D/A轉換模塊將單片機模塊輸出的數(shù)字信號轉換為模擬信號;VI模塊將D/A轉換模塊輸出的電壓信號轉換為電流信號, 方便傳輸。

根據(jù)熱式空氣流量計的工作原理, 設計標準流量發(fā)生裝置, 對空氣流量進行標定。標準流量發(fā)生裝置采用空氣壓縮機作為風源, 通過管道連接標準流量計和所設計的流量計, 其裝置如圖4所示。

實驗通過控制閥門的開度, 以控制空氣流過管道的速度, 采用標準流量計作為測量空氣流速的標準, 獲取測量流速的數(shù)據(jù), 實驗測試結果如表1所示。

***小二乘法曲線擬合具有各測量點誤差平方和***小的優(yōu)點, 也不要求節(jié)點等距, 而且表達式, 易于計算, 適合于工程應用[5]。采用多項式***小二乘法擬合曲線, 建立空氣流速與輸出電壓的曲線關系, 如圖5所示。

對表1的實驗測試數(shù)據(jù)進行***小二乘法四次多項式擬合, 建立空氣流速與輸出電壓的數(shù)學模型:

式中:Qv為空氣流速, m/s;U為恒溫差惠斯通橋式模塊的輸出電壓, V。

從表1的數(shù)據(jù)可以看出, 流速與電壓具有較好一一對應的關系, 因此可以通過電壓測量管道內的空氣流速。標定的流量變送器的相對誤差在1%以內, 表明該流量計測量精度高。

A/D轉換模塊采樣恒溫差惠斯登橋式模塊的輸出電壓, 單片機模塊根據(jù)擬合的四次多項式的數(shù)學模型, 建立輸出電壓與流速的關系。標定流速后, 將流速通過D/A轉換模塊輸出, 由于需要輸出4~20 m A電流, 需進行VI轉換, 此時流速與電流呈現(xiàn)一一對應的線性關系。本文測試了VI模塊的輸入輸出特性, 因輸出為電流信號, 設置200Ω采樣電阻進行測試。VI模塊的輸入輸出特性曲線如圖6所示。由圖6測試結果表明, VI模塊具有良好的線性度, 驗證了電流與流速線性相關, 完全滿足工業(yè)流量計的設計要求。

與傳統(tǒng)的流量計相比, 設計的基于恒溫差的熱式空氣流量計能有效地減少環(huán)境溫度對流量測量的影響, 提高了測量精度, 其硬件電路實現(xiàn)更為簡單。采用微型流量傳感器并結合惠斯登反饋橋式電路, 提高了熱式流量計的響應速度。