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

本文設(shè)計(jì)了一種基于恒溫差的熱式空氣流量計(jì)。該傳感器將2個(gè)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(cè)量氣體流量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 該熱式流量計(jì)具有響應(yīng)速度快、測(cè)量范圍寬、測(cè)量精度高和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。

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

熱式空氣流量計(jì)采用恒溫差惠斯登橋式模塊測(cè)量空氣的流速, 其原理如圖1所示。

其中, Rh是測(cè)速鉑電阻, Rs為測(cè)溫鉑電阻, R2和R3為串聯(lián)Rh的基準(zhǔn)電阻, R1為串聯(lián)Rs的基準(zhǔn)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(jì)所采用的微型流量傳感器置于空氣管道中, 當(dāng)氣體流量發(fā)生變化時(shí), 惠斯登電橋失去平衡, 橋路的不平衡電壓經(jīng)運(yùn)算放大器反饋到橋路, 改變電橋的電流以實(shí)現(xiàn)電功率調(diào)節(jié), 使電橋重新達(dá)到平衡。根據(jù)熱力學(xué)原理[5], 提供給測(cè)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(cè)速探頭的表面積;T為測(cè)速探頭的溫度;T0為測(cè)溫探頭所檢測(cè)到的空氣溫度, 即管道內(nèi)的空氣環(huán)境溫度。

h A與空氣流量q滿足如下關(guān)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(cè)速探頭電流Ih的關(guān)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(cè)速電阻與測(cè)溫電阻的溫差ΔT不變, 從而利用Ih計(jì)算出空氣流量q。

熱式空氣流量計(jì)主要由微型流量傳感器組成, 具有響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn), 可以保持較高的測(cè)量精度。微型流量傳感器內(nèi)集成測(cè)速鉑電阻和測(cè)溫鉑電阻, 其中測(cè)溫鉑電阻選用Pt1200, 測(cè)速鉑電阻選用Pt45。微型流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

根據(jù)上述空氣流量測(cè)量的原理, 設(shè)計(jì)了熱式空氣流量計(jì)。它的總體結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊以及VI模塊。

恒溫差惠斯登橋式模塊用于檢測(cè)空氣流量信號(hào), 并對(duì)空氣環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償;電壓跟隨模塊用于降低輸出阻抗;A/D轉(zhuǎn)換模塊用于對(duì)恒溫差惠斯登橋式模塊的電壓信號(hào)進(jìn)行采樣;單片機(jī)模塊主要用于對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號(hào)進(jìn)行濾波和運(yùn)算處理, 其內(nèi)部有看門狗電路, 可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù);D/A轉(zhuǎn)換模塊將單片機(jī)模塊輸出的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào);VI模塊將D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào), 方便傳輸。

根據(jù)熱式空氣流量計(jì)的工作原理, 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生裝置, 對(duì)空氣流量進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生裝置采用空氣壓縮機(jī)作為風(fēng)源, 通過管道連接標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)和所設(shè)計(jì)的流量計(jì), 其裝置如圖4所示。

實(shí)驗(yàn)通過控制閥門的開度, 以控制空氣流過管道的速度, 采用標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)作為測(cè)量空氣流速的標(biāo)準(zhǔn), 獲取測(cè)量流速的數(shù)據(jù), 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表1所示。

***小二乘法曲線擬合具有各測(cè)量點(diǎn)誤差平方和***小的優(yōu)點(diǎn), 也不要求節(jié)點(diǎn)等距, 而且表達(dá)式, 易于計(jì)算, 適合于工程應(yīng)用[5]。采用多項(xiàng)式***小二乘法擬合曲線, 建立空氣流速與輸出電壓的曲線關(guān)系, 如圖5所示。

對(duì)表1的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行***小二乘法四次多項(xiàng)式擬合, 建立空氣流速與輸出電壓的數(shù)學(xué)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(duì)應(yīng)的關(guān)系, 因此可以通過電壓測(cè)量管道內(nèi)的空氣流速。標(biāo)定的流量變送器的相對(duì)誤差在1%以內(nèi), 表明該流量計(jì)測(cè)量精度高。

A/D轉(zhuǎn)換模塊采樣恒溫差惠斯登橋式模塊的輸出電壓, 單片機(jī)模塊根據(jù)擬合的四次多項(xiàng)式的數(shù)學(xué)模型, 建立輸出電壓與流速的關(guān)系。標(biāo)定流速后, 將流速通過D/A轉(zhuǎn)換模塊輸出, 由于需要輸出4~20 m A電流, 需進(jìn)行VI轉(zhuǎn)換, 此時(shí)流速與電流呈現(xiàn)一一對(duì)應(yīng)的線性關(guān)系。本文測(cè)試了VI模塊的輸入輸出特性, 因輸出為電流信號(hào), 設(shè)置200Ω采樣電阻進(jìn)行測(cè)試。VI模塊的輸入輸出特性曲線如圖6所示。由圖6測(cè)試結(jié)果表明, VI模塊具有良好的線性度, 驗(yàn)證了電流與流速線性相關(guān), 完全滿足工業(yè)流量計(jì)的設(shè)計(jì)要求。

與傳統(tǒng)的流量計(jì)相比, 設(shè)計(jì)的基于恒溫差的熱式空氣流量計(jì)能有效地減少環(huán)境溫度對(duì)流量測(cè)量的影響, 提高了測(cè)量精度, 其硬件電路實(shí)現(xiàn)更為簡單。采用微型流量傳感器并結(jié)合惠斯登反饋橋式電路, 提高了熱式流量計(jì)的響應(yīng)速度。