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(shí)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(shí)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(shí)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(shí),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(shí),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(shí),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(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[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(gè)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(shí)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(shí),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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)引腳安裝在氣體流道中時(shí)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(gè)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(gè)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(gè)探頭的加熱測量部件被限制在一個(gè)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(shí),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(shí),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(shí),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(shí),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(shí)(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(shí),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(gè)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(shí),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(shí)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(shí)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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