热膜式气体质量流量计

热式气体质量流量计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检测仪表，已广泛应用于航空、航天、能源、医学、汽车工业以及天然气管道运输等行业。目前，国内有关热式气体质量流量计的研究和应用尚处在初级阶段，绝大多数产品都需要进口，尤其是针对大中型管道的气体流量测量的热式气体流量计。因此，研究热式气体质量流量计将对于我国国民经济的发展具有很大意义。本文在已研制单点热式气体质量流量计的基础上，针对目前大口径或不规则管道气体质量流量测量中存在的单点测量精确度不高、差压式仪表压损太大以及速度-面积法测量困难等问题，提出了基于多点测量的热式气体质量流量测试方法。1测量原理及敏感元件温度特性热式质量流量计根据加热元件的不同，分为热线式和热膜式［1］p］。本文采用薄膜铂电阻（铂膜电阻或铂膜探头）作为敏感元件。铂膜电阻作为一种新型的感温元件，具有尺寸小、响应快、易于与集成电路相匹配的特点，且具有测温范围宽、精度高、线性好、性能稳定等优点。在温度补偿、温度及流量的测量和控制等领域有广泛的应用。铂膜电阻在作为流量传感器使用时，由于探头散热条件与环境温度有极大关系，其信号输出将受环境温度变化的影响。为了定量地掌握热膜探头的温度特性，我们根据热式流量计加热探头工作温度范围，对热膜探头在不同环境温度下进行温度特性试验。将热膜探头放置在温度可调的恒温箱中，给探头加上某一恒定工作电流I，在不同的工况条件下，测量探头两端电压V，然后计算热膜探头电阻。热膜探头温度特性实验装置如图1所示。图1热膜探头温度特性实验装置由于热膜探头的工作温度很难精确测量，因此在静态温度特性实验中，首先建立热膜探头工作电阻随温度变化的曲线，即在热膜探头无自热效应的前提下（工作电流W1mA），热膜探头电阻随环境温度变化趋势。根据实际情况，本文选用Pt20热膜探头作为试验研究对象。热膜探头在无自热效应下，热膜探头电阻随环境温度变化关系如图2所示：907030O907030O£642O322222E电头探膜热=-2E-06x2+0.0795x+19.968.环境温度/°C图2热膜探头电阻随温度变化曲线由热膜探头静态温度特性曲线建立热膜探头电阻R与环境温度'之间的关系：tR=19.968(1+3.981X10-3xt-1.002x10-712) ⑴工业上采用薄膜铂电阻作为测温元件，主要是利用铂电阻在无自热效应前提下R-1特t性，一般情况下通过铂电阻的电流不大于1mA。本文是利用薄膜铂电阻作为加热元件，通以较大的电流，利用其自身的热效应，使铂膜探头达到一定的工作温度，作为测量气体流量敏感元件。将热膜探头在不同实验条件下(U=0和U尹0)通以相同的电流(I=70mA)，其电阻Rt与环境温度t间关系如图3所示。5050544332Q5050544332Q血电头探膜热200 20 40 60 80 100 120环境温度/°C

图3热膜探头在不同实验条件下电阻随环境温度变化曲线热膜探头在静态的实验条件下(U=0)，对热膜探头通以不同的工作电流，其电阻R与环境温度t间关系如图4所示。

环境温度/°cQ环境温度/°cQ血电头探膜热图4热膜探头在不同工作电流下电阻随环境温度变化曲线通过对图3、图4分析，可以得出:热膜探头工作在恒流状态下，其电阻随环境温度的变化而近乎线性的变化，即热膜探头工作温度与环境温度之差t基本保持不变。热膜探头在不同工况下由其强迫对流造成的热耗散不随环境温度的变化而变化。如对于本文中选用的热膜探头由强迫对流造成的热耗散约为31mW。热膜探头工作温度随工作电流的增大而增加。如在环境温度为20C下，I=50mA时，热膜探头工作温度约为77C；I=70mA时，热膜探头工作温度约为142C；I=90mA时，热膜探头工作温度约为256C。所以我们可以通过选择热膜探头的工作电流来确定热膜探头的工作温度。2温度校正分析校正法，即需要一个独立的温度传感器检测环境温度［，然后将［插入到选择的热传递关系式中。在这种方法中，热膜探头工作在恒阻状态下。随着计算机和微电子技术的应用和发展，目前有关热式质量流量计的温度校正大部分采用的是分析校正法［7,8］。分析校正的关键是确定热膜风速计的热传递关系式，即输出信号与风速和温度的函数关系。目前有关风速计温度校正方面的研究基本上都是确定热传递公式［7~9］。自动校正法，即在惠登斯电桥中加入一个温度传感器，对环境温度变化自动进行补偿。此时热膜探头工作在非恒阻状态下。采用的自动校准方法是将惠登斯电桥中与热膜探头相对的桥臂电阻改成包含补偿电阻的串并联电路，图7所示。其中的RC为具有正温度系数的铂电阻，将其安放在与热膜探头Rw相同的流场中。补偿电路设计的依据是热膜探头的温度特性和补偿铂电阻的电阻温度参数。为了使传感器输出不随环境温度变化，理论上应满足在任何环境温度下：（2）RR（2）—a=—bR^R其中：r'=（5+"R为与热膜探头相对的桥臂电阻。cR+R+R根据上述设计原则，选取合适的参数（R、R、R），使得当环境温度变化时，R与Rxyc cw的比值保持不变。李长武1,梁国伟2（1.上海理工大学光学与电子信息工程学院，上海200093；2.中国计量学院计量技术工程学院，浙江杭州310018）摘要：利用热式空气流量传感器直接测量空气质量流量的特点，设计了一种应用于测量I勺燃机进气系统进气量的热线式空气流量传感器。通过对传感器输出信号进行温度补偿、放大及线性化处理，其输出电压与质量流量近似呈线性关系。试验结果表明：热线式空气流量传感器应于汽车电喷系统中，可以为发动机提供准确的进气质量流量。关键词：热式流量传感器；质量流量；热线；温度补偿；线性化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引言空气流量传感器用厂现代汽车汽油喷射系统中，安装在空气滤清器和节气门体之间，用来测定吸入发动机中的空气量的多少，作为决定基本喷油量的参数。电子控制汽油喷射式发动机为了在各种运转工况下都能获得最佳浓度(空燃比)的混合气，必须正确地测定每一瞬间吸人发动机的空气量，作为电控单元(ECU)计算并控制喷油量的主要依据。目前，应用于汽车发动机的空气流量传感器大致可分为两大类；…，由于热线(膜)式质量型空气流量传感器能直接测出空气质量流量，具有测量准确度高、响应时间短等优点，因此，该类型空气流量传感器已在现代汽车发动机上广泛应用。由于热线式和热膜式的工作原理相同，本文仅对热线式空气流量计的I：。作原理、温度补偿和输出特性进行探讨。1.1工作原理热线式空气流量传感器是建立在热平衡原理基础上的。其工作原理如图㈠听示c在空气通道中放置热线(铂丝)RH,当空气通过流量汁时，热线被冷却，工作温度下降，其电阻值随之减小，电桥失去平衡，此时集成运算放大器会自动增加供给热线的电流，使热线恢复原来的工作温度和电阻值，直至电桥恢复平衡。1进气2集成运算放大器3输出信号(E)R1，R2，R3电阻器Rc补偿电阻器Rh热线电阻器图1热线式空气流量传感器电路原理图Fig1PriciplediagramofhOt-wireairnOwsenSOrCirCU1.2数学模型根据热平衡原理，热线中的热产生应该等于热耗散。即在热线没有热传导的情况下，加热电流在热线中产生的热量应该等于流体所带走的热量。对于有限长的热线，在稳定情况下总的热耗散率为：H=Qc+Qk+Qr式中H为热线总的热耗散率；Qc为对流引起的热耗散率；QK为热线对支杆的热传导引起的热耗散率；QR为热线的热辐射引起的热耗散率：由于大多数场合，热线与周围的流体温度差小于300r，辐射热QR可以忽略；且热线的长细比很大的情况下(1/d=x)，热线对支架的热传导0K与Qc相比可以忽略不计，所以，热线的热耗散主要是由对流引起的。由热线热耗散规律，Qc可以表示为式中』为热埃坨度.叩』为热线直％岫5为管流挽填系数.ft/Cni-幻；7；为热技温度7；为流降睨度山， 引入无就抱殷W由5数,％=尹以King公式•和=侦*占占产H几“'，，趋线焦槌敢率可母占示为, (I)式中为为旅体熬传*辛部「=罕、于是馈)莲-匚).式中队由为常数沪，为空x成峰流速.呼七血鸠姓职位时间内产匕的周耳热为者达到煎平衡时、即有/不NTHI.)一因此，当热线和空气的温度差(Th-T8一定时，供给热线的电能就是空气质量流量的衡量尺度。热线式空气流量传感器的输出信号E可以表示为：E=c+kqnm(2)式中E为热线式空气流量传感器输出信号，V；qm为空气质量流量，g/s；c，k，n均为常数。2热线式空气流量传感器的温度补偿尽管热线式空气流量传感器的输出信号(E)直接反映厂空气质量流量，但由于空气的热传导、密度、粘性以及空气与热线之间的温差都和空气的温度紧密相关，因此，空气温度的改变必然会导致热线式空气流量传感器的输出信号的改变。由式(1)可知，在相同的空气质量流速pv下，环境温度了撼的变化会影响热线的热耗散率，进而影响传感器的输出电压，因而有必要对由厂环境温度变化而引起流量传感器输出信号变化的情况进行修正，即温度补偿。温度补偿的基本思想就是人为地或自动地改变敏感元件的温度，以便对相同的流体流量给出与温度变化无关的相同输出；或者说敏感元件的温度总是被调整到使空气流量传感器的输出与温度无关的温度上。对于热线式空气流量传感器来说，常用的温度补偿方法是将惠斯登电桥中与热线斜对的电阻改成串联并联电路，如图2所示。其中，Rc为具有负温度系数的热敏电阻器，将其安放在与热线RH相同的流场中。通过在不同环境温度下热线探头热耗散特性试验，确定使输出电压保持基本恒定的串联电阻器R2和并联电阻器Rb。图2温度补偿电路原理图Fig2PrinciplediagramOftemperature-compensatingcircuit将经过温度补偿的热线空气流量传感器与未经过温度补偿的热线空气流量传感器作对比试验，试验数据如表1所示。温度补偿试验结果表明：热线式空气流量传感器经温度补偿后，大大减少了环境温度对其输出产生的影响。温度业湛度补建输出［T）无皿补燧输出（V）2&1,(M0那]-0?41.025401.0?20,98450L0J7C.92I表1温度补偿试验结果Tab1Temperature-compensatingexperimentresults3热线式空气流量传感器的输出信号线性化热线式空气流量传感器由两部分组成：一部分是传感探头恒温控制电路（constanttemperaturecontrolcircu㈠；另一部分是信号调节电路（signalcondi“oningcircu如图3所示。

图3热线式空气流量传感器电路框图Fig3BlockdiagramOfhot-wireairflowsensorcircuit恒温控制电路主要是保持传感探头(热线)温度与环境温度的温差恒定；信号调节电路主要是对流量传感器的检测信号进行放大和线性化处理。由式(2)可知，热线式空气流量传感器的输出与空气质量流量之间是非线性关系。从测量的角度来看问题，任何非线性关系都是不利的，因为这给使用和标定带来困难，因而有必要对热线式空气流量传感器的输出信号进行线性化处理。常用的线性化方法有:折线近似法、多项式近似法、微处理机修正等。针对热线式空气流量传感器，采用常用的线性化方法有:了多项式近似线性法，原理框图如图4所示。图4多项式近似线性化框图Fig4BlockdiagramOfmultinomial—linearization通过对热线式空气流量传感器的输出信号进行多项式线性化处理，利用matlab对试验数据进行线性拟合，得到热线式空气流量传感器输出线性拟合方程为Vout=1.1+0.11qm，式中Vout为热线式空气流量传感器输出电压，V。4测试结果将研制的热线式空气流量传感器放在汽车上试验，使用故障阅读器V.A.G1551和汽车系统测试仪V.A.G1552对热线式空气流量传感器进行测试，将测试的结果与标准的BOSCH热膜式空气流量传感器的输出数据进行对比，如图5所示。0BOSCH热脱式空气温度作感器

3- 1设计热鼓式空气魂量传魁器!■仆L _ L 一—J.一一0 2 4 6 8 10 12 14质秘流量值图5热线式空气流量传感器测试结果Fig5TestingresultOfhot-wireairflowsensor5结论(1)热线式空气流量传感器可直接测量电喷发动机进气空气质量流量，但需要对空气温度的变化进行修正；(2)传感器响应时间对汽车运行性能有较大影响，其阶跃响应时间应不大于100ms；(3)所研制的传感器动态响应快、测量准确度高、测量重复性好，应用于汽车电喷系统中，其性能指标完全满足要求.2、 热线式空气流量计构成：我们来看书上的结构图，它的基本构成包括感知空气流量的白金热线、根据进气温度进行修正的温度补偿电阻（冷线）、控制热线电流的控制电路以及壳体等。根据白金热线在壳体内安装部位的不同，可分为安装在空气主通