文中提出了一種基于恒溫差的熱式空氣流量計的設(shè)計方法。該流量計采用微型流量傳感器、集成測速鉑電阻和測溫鉑電阻，能夠有效補償環(huán)境溫度對空氣流量的影響。采用多項式最小二乘法，建立空氣流量與傳感器輸出電壓之間的數(shù)學(xué)模型，通過單片機處理，輸出標(biāo)準的 4 ～ 20 mA 電流信號。實驗數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該流量計具有響應(yīng)速度快、測量范圍大、測量精度高和重復(fù)性好等優(yōu)點。

0.引言

熱式空氣質(zhì)量流量計是一種常見的質(zhì)量流量計，其工作原理是基于加熱元件在空氣流動中的熱傳遞，通過檢測管道內(nèi)空氣與流量傳感器之間的熱量交換關(guān)系來測量空氣流量 。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，可用于測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 。

本文設(shè)計了一種基于恒溫差的熱式空氣流量計。該傳感器將 2 個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量氣體流量。實驗結(jié)果表明，該熱式流量計具有響應(yīng)速度快、測量范圍寬、測量精度高和重復(fù)性好等優(yōu)點。

1.工作原理

1．1 測量原理

目前，大多數(shù)熱式空氣質(zhì)量流量計是保持加熱元件表面溫度恒定，根據(jù)電流的變化來測量空氣的流量 被稱為恒溫差熱式空氣質(zhì)量流量計。本文設(shè)計的流量計采用 2 個金屬鉑電阻，分布在惠斯登電橋的兩臂，分別用于測量空氣的溫度( 測溫探頭) 和空氣的速度( 測速探頭) 。在測量電路中，通過運算放大器的負反饋改變電橋中的電流以保證測速探頭與測溫探頭的溫度差恒定。通過增大測速探頭的電流以對其進行加熱，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，故可以測得空氣的流速。測溫探頭則用于測量管道空氣環(huán)境溫度，以實現(xiàn)環(huán)境溫度補償。

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

其中，Ｒh 是測速鉑電阻，Ｒs  為測溫鉑電阻，Ｒ2  和3 為串聯(lián) Ｒh 的基準電阻，Ｒ1  為串聯(lián) Ｒs 的基準電阻，6 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，惠斯登電橋失去平衡，橋路的不平衡電壓經(jīng)運算放大器反饋到橋路，改變電橋的電流以實現(xiàn)電功率調(diào)節(jié)，使電橋重新達到平衡。根據(jù)熱力學(xué)原理 提供給測速鉑電阻 Ｒh的電功率等于空氣所帶走的熱量，由式( 3) 可知，通過恒溫差惠斯登橋式模塊保持測速電阻與測溫電阻的溫差 T 不變，從而利用 Ih 計算出空氣流量 q。

1．2 傳感器結(jié)構(gòu)

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

2.總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述空氣流量測量的原理，設(shè)計了熱式空氣流量計。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空氣流量信號，并對空氣環(huán)境溫度進行補償; 電壓跟隨模塊用于降低輸出阻抗; A / D 轉(zhuǎn)換模塊用于對恒溫差惠斯登橋式模塊的電壓信號進行采樣; 單片機模塊主要用于對 A / D 轉(zhuǎn)換模塊輸出的信號進行濾波和運算處理，其內(nèi)部有看門狗電路，可對系統(tǒng)進行保護; D / A 轉(zhuǎn)換模塊將單片機模塊輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號; VI 模塊將 D / A 轉(zhuǎn)換模塊輸出的電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，方便傳輸。

3.實驗數(shù)據(jù)分析

3．1 曲線擬合

根據(jù)熱式空氣流量計的工作原理，設(shè)計標(biāo)準流量發(fā)生裝置，對空氣流量進行標(biāo)定。標(biāo)準流量發(fā)生裝置采用空氣壓縮機作為風(fēng)源，通過管道連接標(biāo)準流量計和所設(shè)計的流量計，其裝置如圖 4 所示。

實驗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)準流量計作為測量空氣流速的標(biāo)準，獲取測量流速的數(shù)據(jù)，實驗測試結(jié)果如表 1 所示。

最小二乘法曲線擬合具有各測量點誤差平方和最小的優(yōu)點，也不要求節(jié)點等距，而且表達式唯一，易于計算，適合于工程應(yīng)用。采用多項式最小二乘法擬合曲線，建立空氣流速與輸出電壓的曲線關(guān)系，如圖 5 所示。

對表 1 的實驗測試數(shù)據(jù)進行最小二乘法四次多項式擬合，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應(yīng)的關(guān)系，因此可以通過電壓測量管道內(nèi)的空氣流速。標(biāo)定的流量變送器的相對誤差在 1% 以內(nèi)，表明該流量計測量精度高。

3．2 單片機數(shù)據(jù)處理

A / D 轉(zhuǎn)換模塊采樣恒溫差惠斯登橋式模塊的輸出電壓，單片機模塊根據(jù)擬合的四次多項式的數(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 mA電流，需進行 VI 轉(zhuǎn)換，此時流速與電流呈現(xiàn)一一對應(yīng)的線性關(guān)系。本文測試了 VI 模塊的輸入輸出特性，因輸出為電流信號，設(shè)置 200 Ω 采樣電阻進行測試。

VI 模塊的輸入輸出特性曲線如圖 6 所示。由圖 6 測試結(jié)果表明，VI 模塊具有良好的線性度，驗證了電流與流速線性相關(guān)，完全滿足工業(yè)流量計的設(shè)計要求。

4.結(jié)束語

與傳統(tǒng)的流量計相比，設(shè)計的基于恒溫差的熱式空氣流量計能有效地減少環(huán)境溫度對流量測量的影響，提高了測量精度，其硬件電路實現(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

了熱式流量計的響應(yīng)速度。