摘要：介紹了一種新型的基于組合熱膜探頭的氣體流量積算儀。對(duì)該組合熱膜探頭的溫度特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了具有溫度補(bǔ)償功能的測(cè)量電路，給出了用該探頭進(jìn)行氣體流量測(cè)量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：該組合熱膜探頭在微小流量測(cè)量中具有較高的靈敏度和重復(fù)性，測(cè)量精度優(yōu)于1％，測(cè)量范圍度達(dá)100：1。
0、引言
熱式流量傳感器是基于早期風(fēng)速計(jì)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型氣體流量傳感器，具有壓損低、流量范圍大、精度高、無(wú)可動(dòng)部件及低流量測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴射裝置上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但傳感器的一致性較差，而且抗污染腐蝕能力差，易損壞，從而限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。熱膜氣體傳感器作為式傳感器的改進(jìn)，其敏感元件采用微機(jī)械加工技術(shù)制成，具有體積小、成本低、穩(wěn)定性好、度高、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短等特點(diǎn)，已得到了一定的應(yīng)用。但是，在流量測(cè)量中需要外部增加溫度補(bǔ)償電路，傳感器補(bǔ)償過(guò)程操作繁瑣、耗時(shí)，而且補(bǔ)償效果較差，從而導(dǎo)致測(cè)量精度有所降低。
針對(duì)上述問(wèn)題，在對(duì)各種熱膜探頭試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了一種基于組合熱膜探頭的新型氣體流量積算儀，其探頭結(jié)構(gòu)是將通電加熱的熱膜電阻與補(bǔ)償電阻組合在同一陶瓷基片上，形成組合熱膜探頭。其典型組成如圖1所示。

1、氣體流量測(cè)量原理
基于組合熱膜探頭氣體流量積算儀的物理基礎(chǔ)是熱傳遞，根據(jù)熱平衡原理，電流流過(guò)熱膜探頭所產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體流過(guò)熱膜探頭所帶走的熱量。熱膜探頭的熱耗散主要是由
對(duì)流引起的，而對(duì)于圓柱形的熱膜探頭，因?qū)α鳟a(chǎn)生的熱傳遞關(guān)系式可以明確地表示。
KingLV對(duì)這個(gè)關(guān)系已進(jìn)行了詳細(xì)的研究，因?qū)α饕鸬臒岷纳c為

式中：T，l，d分別為熱膜探頭的溫度、長(zhǎng)度和直徑；K為火角指數(shù)；To，ρ，c。，ν分別為氣流的溫度、密度、定壓比熱和流速。式（1）可改寫(xiě)成：

式中a，b為常數(shù)．而熱膜探頭單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為

式中：R為熱膜探頭；TH為流過(guò)熱膜探頭的電流。當(dāng)達(dá)到熱平衡時(shí)，有

因此，當(dāng)熱膜探頭和空氣的溫度差（T-To）一定時(shí)，為Rh常數(shù)，供給熱膜探頭的電流就是空氣質(zhì)量流量的衡量尺度。
電流，IH在R上的壓降U作為流量信號(hào)，通過(guò)放大處理輸出。這種工作方式為恒溫方式。恒溫型測(cè)量電路具有易于使用，頻率響應(yīng)高，低噪聲等一系列優(yōu)點(diǎn).
2、組合熱膜探頭的溫度特性研究
由于恒溫型電路要求在測(cè)量的過(guò)程中，需要保證熱膜探頭的工作溫度與環(huán)境溫度的差值恒定，而溫度差值的大小與熱膜探頭的工作電流有關(guān)，工作電流越大，溫差越大，探頭的響應(yīng)越高，但是探頭容易損壞，因此需要研究熱膜探頭中測(cè)量電阻Ru的溫度特性，選擇合適的工作電流。同時(shí)考慮到熱式流量傳感器的溫度補(bǔ)償。
熱膜探頭的溫度特性實(shí)驗(yàn)方案如圖2所示，將熱膜探頭放置在溫度可調(diào)的恒溫箱中，給探頭加上一定電流，分別測(cè)量電壓V1和V2，并計(jì)算探頭溫度。

表1為電流30mA下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？梢钥闯?，在相同電流供電下，測(cè)量電阻的溫度與環(huán)境溫度之間的溫差基本不變。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下可以得到，在20mA工作電流時(shí)溫差基本為43℃左右，30mA工作電流時(shí)溫差基本為100℃左右，而40mA工作電流時(shí)溫差基本為205℃左右。

由于熱膜探頭工作電流為20mA時(shí)，溫差較低，探頭的靈敏度不高。工作電流40mA時(shí)，溫差太大，探頭容易損壞。工作電流在30mA左右，探頭靈敏度較高，而且溫差不是太大，探頭也不易損壞。因此，選用熱膜探頭的工作電流為30mA，即溫差100℃左右，在恒溫工作條件下，探頭溫度不隨氣體流速變化，但其靜態(tài)工作點(diǎn)將隨環(huán)境溫度的變化而變化。通過(guò)對(duì)組合熱膜探頭溫度特性的了解，將有助于溫度補(bǔ)償?shù)难芯亢蜔崾搅髁坑?jì)的設(shè)計(jì)。
溫度補(bǔ)償就是要使電路能自動(dòng)地根據(jù)環(huán)境溫度的變化改變探頭的工作溫度，以便對(duì)相同的氣體流量給出與環(huán)境溫度變化無(wú)關(guān)的穩(wěn)定輸出。對(duì)于式空氣流量計(jì)來(lái)說(shuō)，常用的溫度
補(bǔ)償方法是利用惠斯登電橋，如圖3所示。其中的R為補(bǔ)償電阻，將其安放在與熱膜探頭R相同的流場(chǎng)中。通過(guò)在不同環(huán)境溫度下熱膜探頭熱耗散特性試驗(yàn)，確定使輸出電壓保持基本恒定的電阻風(fēng)和R，。
補(bǔ)償電阻設(shè)計(jì)的依據(jù)是熱膜探頭的溫度特性和補(bǔ)償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：

也就是說(shuō)，在環(huán)境溫度變化時(shí)，測(cè)量橋臂和補(bǔ)償橋臂上兩電阻之比的曲線應(yīng)該重合。這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的補(bǔ)償。
3、電路試驗(yàn)及重復(fù)性分析
對(duì)于文中研究的組合熱膜探頭在鐘罩式氣體檢定裝置上做了測(cè)量流量的實(shí)驗(yàn)，并做了重復(fù)性的實(shí)驗(yàn)和分析來(lái)判定該組合熱膜探頭在氣體流速測(cè)量中的可行性。實(shí)驗(yàn)是用鐘罩式氣體檢定裝置來(lái)控制流量的，從小到大控制氣體流量，這里只取3組具有代表性的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行重復(fù)性的分析，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

這3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，第1組和第2組是在同一天測(cè)量的，分別為儀器重裝前和重裝后的數(shù)據(jù)，第3組是在第二天測(cè)得的數(shù)據(jù)。
從表2可知：電壓與流量之間具有較好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以根據(jù)輸出的電壓來(lái)檢測(cè)流場(chǎng)中的流量。并且在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，重裝前和重裝后及不在同一天的情況下，當(dāng)氣體流量相同時(shí)，3組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓值也基本相同，即3組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓重復(fù)性較好。這就表明該組合熱膜探頭測(cè)量氣體流量是可行的。