熱式質(zhì)量流量計(jì)探頭型式、安裝方式、環(huán)境溫度、供電電源等影響因素，討論了熱式探頭的氣體流量測量方法和熱式流量儀表的設(shè)計(jì)方法.在論述熱式探頭測量氣體流量原理的基礎(chǔ)上,對探頭型式、安裝方式、環(huán)境溫度、供電電源等影響因素進(jìn)行了較深入的分析,并對熱式流量儀表的設(shè)計(jì)提出了建議.
1 熱式
質(zhì)量流量計(jì)測量原理
1.1 工作原理
熱式質(zhì)量流量計(jì)是根據(jù)介質(zhì)熱傳遞原理制成的一種流量儀表,一般用來測量氣體的質(zhì)量流量.根據(jù)被測物理量的不同可以有以下3種測量關(guān)系:1)利用流體流過加熱管道時產(chǎn)生的溫度場變化與流體質(zhì)量流量的關(guān)系;2)利用加熱流體時流體溫度上升某一值所需要的能量與流體質(zhì)量流量之間的關(guān)系;3)利用流體流過加熱探頭時帶走的熱量與流體質(zhì)量流量的關(guān)系.熱式氣體流量計(jì)具有壓損低,流量范圍度大,高精度、高重復(fù)性和高可靠性,無可動部件以及可用于極低氣體流量監(jiān)測和控制等特點(diǎn).根據(jù)上述3種測量關(guān)系可以分成兩種測量方法,一種是給流體加入必要的熱量,熱能隨流體流動,可以通過檢測相應(yīng)點(diǎn)的熱量變化來求出流量;另一種是在流動的流體中放置發(fā)熱元件,其溫度隨流速變化,可以通過檢測發(fā)熱元件被冷卻程度來測量流量;前者稱為熱量式,屬于這種測量方法的儀表有早期的托馬斯流量計(jì)、非接觸式的邊界層流量計(jì)和熱分布型流量計(jì);后者稱為熱導(dǎo)式,屬于這種測量方法的儀表有專線風(fēng)速儀,浸入型流量計(jì)等.
利用加熱流體的熱量(或溫度)變化測量流體的質(zhì)量流量計(jì)已有很長的歷史.早期的熱式流量計(jì)直接將加專線圈和測溫元件放入流體中與流體直接接觸,是種接觸式流量計(jì),20世紀(jì)初提出的托馬斯流量計(jì)是這種流量計(jì)的代表[1].由于不能解決腐蝕和磨損以及防爆等問題,使它的工業(yè)應(yīng)用受很大的限制.到20世紀(jì)50年代,人們提出了一種與流體不接觸的邊界層流量計(jì)[2],克服了接觸式流量計(jì)的缺點(diǎn),但測量結(jié)果易受介質(zhì)參數(shù)(如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、粘度等)的影響,常用來測量較大的液體流量;到70年代,基于測量流體溫度分布的熱分布型流量計(jì),由于其的優(yōu)點(diǎn)和與流體非接觸的性能在國內(nèi)外得到了很快的發(fā)展,用來測量氣體的微小流量[3];隨著科技的發(fā)展,經(jīng)過對流量計(jì)結(jié)構(gòu)上的重新設(shè)計(jì),在接觸式流量計(jì)的基礎(chǔ)上,人們提出了一種浸入型的熱式流量計(jì)[4-9],并得到了很快的發(fā)展,熱探頭有專線、熱膜、微型熱阻橋等,可以用來測量較大管徑的氣體流量.
綜上所述,目前得到商用化的熱式流量計(jì)從原理上主要可以分成浸入型和熱分布型兩大類.而且由于浸入型的探頭型式與結(jié)構(gòu)、安裝方式等在近年來得到了很快的發(fā)展,在氣體流量測量領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多.本文的目的是通過幾年來對熱式質(zhì)量流量計(jì)的研究[10-13],在闡述熱式流量計(jì)原理的基礎(chǔ)上,就探頭型式、安裝方式、環(huán)境溫度、供電電源等因數(shù)的影響作一總結(jié).
1.2 數(shù)學(xué)模型
熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理建立在熱平衡原理基礎(chǔ)上,目前主要有專線和熱膜兩種形式.專線的敏感元件一般為一根直徑很細(xì)(約為0.002~0.05 mm)的鉑絲或鎢絲,熱膜的敏感元件則是在陶瓷基片上沉積金屬(如鉑)形成的薄膜電阻.專線式和熱膜式的工作原理相同,圖1為熱式氣體流量傳感器的工作原理.在氣流通道中放置專線(鉑絲或鎢絲)rh和補(bǔ)償電阻rc,在穩(wěn)定的流場中形成平衡電橋,當(dāng)氣流通過流量傳感器時,專線被冷卻,專線溫度下降,其電阻值隨之減小,電橋失去平衡.通過集成運(yùn)算放大器組成的反饋電路會自動增加供給專線的電流ih,使專線恢復(fù)到原來的溫度和電阻值,從而使電橋恢復(fù)平衡.實(shí)際上,在氣體流量變化時,專線電阻并不變化,而是工作在恒溫方式.當(dāng)它有變化的趨勢時,通過運(yùn)算放大器的反饋?zhàn)饔檬构┙o專線的電流ih發(fā)生變化而保持探頭溫度(電阻)的恒定.
根據(jù)熱平衡原理,電流流過專線所產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體流過專線所帶走的熱量.因?yàn)閷＞€產(chǎn)生的熱量w取決于焦耳定律,而流體所帶走的熱量h取決于熱耗散規(guī)律,所以有:
對于有限長的專線,在穩(wěn)定情況下的熱耗散應(yīng)為對流引起的熱耗散qc、專線對支桿的熱傳導(dǎo)引起的熱耗散qk和專線熱輻射引起的熱耗散qr之和:
由于大多數(shù)場合中專線與周圍的流體溫度差一般小于300℃,輻射熱qr可以忽略;專線在長徑比很大的情況下,專線對支架的熱傳導(dǎo)qk與qc相比也可以忽略不計(jì),所以專線的熱耗散主要是由對流引起的.
對于圓柱形的專線,因?qū)α鳟a(chǎn)生的熱傳遞關(guān)系式可以明確地表示.l.v.king對這個關(guān)系已進(jìn)行了詳細(xì)的研究,因?qū)α饕鸬臒岷纳c為[4,14]:
式(1)(2)中:t,l,d分別為專線的溫度、長度和直徑;t0,ρ,cp,v,κ分別為氣流的溫度、密度、定壓比熱、流速和導(dǎo)熱系數(shù).對于d =0.025 mm的專線測量常溫空氣的場合,式(1)和(2)的流速界限值約為0.075 m/s.這是一個非常小的氣體流速,對于專線風(fēng)速儀或浸入式熱式流量計(jì),實(shí)際使用時流速一般都大于此值,屬于式(2)給出的范圍,并可改寫成:
當(dāng)探頭在恒溫方式工作時,專線和被測氣體的溫度差(t-t0)保持一定,rh應(yīng)為常數(shù),供給專線的電流ih就是空氣質(zhì)量流量的衡量尺度.信號電流ih的平方與質(zhì)量流量qm的平方根成正比.電流ih在r1上的壓降v作為流量信號,通過放大處理輸出,與質(zhì)量流量qm之間的關(guān)系應(yīng)為圖2的四次多項(xiàng)式曲線關(guān)系:
2 熱式探頭的型式
經(jīng)過幾十年的發(fā)展,浸入型熱式流量計(jì)探頭已有很多種型式,適用于各種應(yīng)用場合.*簡單的探頭形式就是一段直徑非常微小的圓柱體金屬線,安裝在一個微型支架上,如圖3a所示,實(shí)驗(yàn)室用的專線風(fēng)速儀就是這種型式.其直徑一般只有2~5μm,長度只有毫米量級,電阻只有幾歐姆.由于探頭比較嬌貴,一般只用于實(shí)驗(yàn)室場合,對流速變化的反應(yīng)非常靈敏.
用于實(shí)際管道測量空氣流量的專線探頭如圖3b所示,在兩個金屬支架上固定一根螺旋狀的專線,其結(jié)構(gòu)如燈泡中的燈絲.專線一般由直徑為20~50μm的鉑絲或鎢絲組成,長度可達(dá)幾十毫米,電阻為10~20ω.由于專線長度比較長,所以常繞成幾毫米長的螺旋狀線管固定在支架上.
圖3b的結(jié)構(gòu)有較高的靈敏度,能滿足一般的工程測量.但在強(qiáng)度和穩(wěn)定性上始終存在問題,鉑絲螺線管穩(wěn)定性好,但強(qiáng)度較低,不容易定型;鎢絲螺線管強(qiáng)度較高,但容易氧化,穩(wěn)定性不夠好.在陶瓷基片上做成的鉑膜電阻,如圖3c能較好地解決該矛盾,于是近幾年在空氣流量檢測中得到了較廣泛的應(yīng)用,尤其在汽車空氣流量測量中的應(yīng)用.在陶瓷基片上沉積加熱電阻和補(bǔ)償電阻的組合鉑膜探頭如圖3d,由于它使補(bǔ)償電阻和加熱電阻處于同上等場中,而且位置確定,能更好地補(bǔ)償流體溫度變化帶來的影響,故在氣體流速測量和工業(yè)管道氣體流量測量中正逐步得到廣泛應(yīng)用.
鉑膜探頭由于存在一個陶瓷基片,外形尺寸約為3 mm×1 mm×0.6 mm或更大.這不僅使熱膜探頭有一定重量,用兩個引腳安裝在氣體流道中時由于探頭位置不容易固定而易引起信號輸出的變化,而且由于陶瓷基片有一定厚度與體積,從而使熱膜探頭的熱容量增加,響應(yīng)速度下降,對氣流瞬態(tài)變化的反應(yīng)不夠靈敏,致在某些特殊使用場合(如汽車行業(yè))不能滿足動態(tài)響應(yīng)的要求.
然而,圖3e和3f的結(jié)構(gòu)卻可以解決該問題.圖3e是將專線做在一張極薄的軟膠片上,然后將軟膠片用邊框固定在流道中;圖3f是在一個直徑很小的圓柱基體上做熱膜或?qū)＞€,兩端引線,很容易固定在流道中.這些結(jié)構(gòu)都可以解決探頭的固定問題和動態(tài)響應(yīng)問題.
用半導(dǎo)體工藝研制的微型熱式流量傳感器如圖3g,在基片上集成一個微型加熱器,在微型加熱器上下游對稱位置設(shè)置測溫裝置,測量由于流體流動造成的上下游溫度不對稱分布.在遠(yuǎn)離加熱器上游設(shè)置的測溫裝置測量流體溫度以補(bǔ)償流體溫度的影響.整個探頭的加熱測量部件被限制在一個非常小的尺度內(nèi),對流動的響應(yīng)很敏感,它們已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車空氣流量的測量控制中.但由于半導(dǎo)體制作工藝復(fù)雜,只適合大批量生產(chǎn),故該技術(shù)仍為少數(shù)國外企業(yè)所壟斷.
應(yīng)用于工業(yè)管道的熱式流量傳感器如圖3h,其速度探頭與溫度探頭都由鉑電阻組成,有堅(jiān)固的保護(hù)外殼,鉑絲不直接與流體接觸,所以應(yīng)用較廣.但正由于有保護(hù)外殼的存在,使其動態(tài)響應(yīng)速度大大降低,只適合于測量流量變化緩慢的定常流動.
上述各種熱式探頭目前都有應(yīng)用,其性能各異,存在的問題有:溫度補(bǔ)償問題,濕度影響問題,信號輸出長期穩(wěn)定性問題,儀表設(shè)計(jì)中的安裝問題,電源問題,動態(tài)響應(yīng)問題,等等.
3 介質(zhì)溫度和濕度的影響分析
從前面的分析可知,不同的被測介質(zhì)溫度對熱式探頭的工作有很大影響.式(6)表明,所謂恒溫工作方式是指介質(zhì)溫度t0不變時,不管氣流速度v如何變化,都能保持探頭溫差(t-t0)不變,所以探頭電阻rh也為常數(shù);當(dāng)介質(zhì)溫度t0變化時,探頭溫度t也隨之變化,探頭溫差(t-t0)也不恒定.因?yàn)閺膱D1的原理圖可以知道,任何介質(zhì)溫度下,橋路平衡時,rh/r1= rc/r2,由于r1、r2是固定的精密電阻,所以,任何介質(zhì)溫度下,其rh與rc的比值應(yīng)為常數(shù).如果用th表示專線溫度,用tc表示介質(zhì)溫度,則
這就從理論上證明了式(6)中的比值(t-t0) /rh依然保持常數(shù),所以從式(6)可知,信號電流ih仍然是空氣質(zhì)量流量的單元函數(shù).這樣的探頭性能正是圖1的測
量橋路中補(bǔ)償電阻rc測量介質(zhì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果.
仔細(xì)分析式(6)中的系數(shù)a和b可知,介質(zhì)溫度變化時,a和b并非常數(shù),如式(4),它們與介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)κ和定壓比熱容cp有關(guān).各種氣體的導(dǎo)熱系數(shù)κ和定壓比熱容cp有較大不同.對于空氣,在中常溫范圍其導(dǎo)熱系數(shù)κ和定壓比熱變化量相對較小,a和b的變化,如圖4.
從圖4可以看出,隨著溫度的提高,式(6)中系數(shù)a和b都在不同程度增加.即使質(zhì)量流量不變,由于系數(shù)a和b都在提高,流量信號i也不是常數(shù).所以,熱式氣體流量計(jì)尚不是真正的質(zhì)量流量計(jì),其輸出信號除與質(zhì)量流量有關(guān)外,還與氣體物性參數(shù)如導(dǎo)熱系數(shù)、定壓比熱容等有關(guān).
被測介質(zhì)濕度的影響表現(xiàn)在濕度對導(dǎo)熱系數(shù)κ和密度ρ的變化上.常壓下水蒸氣的導(dǎo)熱系數(shù)κ略小于空氣,而密度ρ要比空氣小較多,定壓比熱cp差不多是空氣的2倍,隨溫度有同樣的變化規(guī)律.所以,空氣中的水蒸氣對熱式探頭的影響有與圖4相同的規(guī)律,影響量與濕空氣的相對濕度?和溫度t有關(guān).圖5為濕空氣密度隨相對濕度和溫度變化曲線,可以看出,溫度較低時(如小于40℃),空氣濕度引起的差異較小(大約可在3%以內(nèi)),但在溫度較高時,空氣濕度的影響比較明顯.
4 熱式質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)
4.1 探頭電阻
熱式探頭電阻的設(shè)計(jì)選取,除了直接與探頭工作溫度、工作電流等指標(biāo)有關(guān)之外,還與探頭結(jié)構(gòu)及其幾何尺度有關(guān).
探頭結(jié)構(gòu)的散熱條件對探頭工作溫度影響極大,如探頭封裝厚度等條件.即使幾何尺寸、散熱面積和探頭體積等參數(shù)均差不多的兩個熱膜探頭,在同樣的加熱電流條件下,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其熱性能也可有很大的差異,甚至可以是成倍的差異[12].所以,散熱條件越好,可以選用相對大一點(diǎn)的探頭電阻.
散熱面積越小,探頭工作溫度就越高.例如裸露的專線,由于它暴露在氣流中,散熱條件應(yīng)該很好;但專線探頭與熱膜探頭試驗(yàn)比較發(fā)現(xiàn),由于專線直徑非常小,散熱面積比熱膜陶瓷基片要小得多,而熱絲的體積與熱膜陶瓷基片比更加微小,所以熱絲的熱容量很小.熱容量小和散熱面積小都將導(dǎo)致專線探頭的工作溫度提高.同樣的工作條件下,熱絲的溫度要遠(yuǎn)高于熱膜溫度.所以,對于專線,應(yīng)該選用較小的探頭電阻.
另外,探頭電阻設(shè)計(jì)與工作電流有密切關(guān)系,如果希望有較小的工作電流,就應(yīng)選用較大的探頭電阻.目前常用的熱式探頭電阻有10ω及以下的專線探頭,以及20ω、45ω的熱膜探頭等.
4.2 供電電源
要使熱式質(zhì)量流量計(jì)正常工作,就必須使探頭溫度達(dá)到一定水平,也就是要給熱式探頭提供一定的能量.從式(5)可知,提供的能量為w=i2hrh.對于一定幾何尺度和結(jié)構(gòu)的熱式探頭,如果其散熱條件等因素也相似,則欲保持一定探頭溫度水平的能量也應(yīng)相近.所以,如果提高探頭電阻,則加熱電流可以減小,但減小的幅度并不一樣,探頭兩端電壓將有所增加.對于一定的供電電源電壓,探頭電阻的增加將有一限值,并不能一味地用提高電阻的方法來降低電流.
對于低壓供電電源,原則上應(yīng)降低探頭電阻,以增加加熱電流的方法來維持探頭能量.但探頭電阻一般無法隨意改變,只有有限的幾種可供選擇.所以,當(dāng)供電電壓較小時,應(yīng)盡量減小圖1中的取樣電阻r1的阻值,以避免出現(xiàn)大流量信號的飽和現(xiàn)象.
4.3 質(zhì)量流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
無論是熱式流量計(jì)或熱式風(fēng)速儀,熱式探頭在氣流通道上的安裝位置與結(jié)構(gòu),補(bǔ)償探頭的安裝位置與結(jié)構(gòu),對流量測量都有明顯影響.主要有:加熱探頭位置是否固定,探頭與周圍固定架之間的距離對散熱是否有影響,能否有效地感受流體的真實(shí)流速,補(bǔ)償探頭能否有效地感受流體溫度,其自熱效應(yīng)有多大影響,對氣流的流動是否有阻礙等問題,都是流量計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮的問題.試驗(yàn)表明,這些因素對流量計(jì)的測量精度和穩(wěn)定性有明顯影響.
5 存在問題
通過幾年來大量的試驗(yàn)研究表明,熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的輸出特性正如圖2,尤其在小流量時有很高的靈敏度,流量測量范圍度可達(dá)50~100 g/s甚至更大.對于氣體流量測量領(lǐng)域有特殊的應(yīng)用場合,但也存在不少尚未解決的問題.低功耗問題,由于熱式探頭需一定的加熱電流,很難做到電池供電的低功耗運(yùn)行.
濕度的影響和修正問題,由于濕度環(huán)境的調(diào)節(jié)與檢測都有困難,所以熱式質(zhì)量流量計(jì)濕度影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與修正方法目前尚無有效方法.粉塵影響問題,熱式探頭如果長期工作在含粉塵的氣流環(huán)境中,探頭表面將被污染,其散熱性能也將改變,從而改變流量計(jì)的輸出特性.但具體影響量目前尚無法用數(shù)據(jù)描述.
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