劉 偉， 丁水汀， 趙立峰

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191； 2.北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院， 北京 100191；3.吉林大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130025)

0 引 言

發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程中，進(jìn)氣管內(nèi)的流動(dòng)速度范圍為0～1 000 kg/h，尤其是在進(jìn)氣量較大時(shí)，管內(nèi)流動(dòng)復(fù)雜，氣流沿進(jìn)氣管道做非穩(wěn)定流動(dòng)，進(jìn)氣管任一截面處流速和壓力都是周期性脈動(dòng)變化的。熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器基于熱傳導(dǎo)原理，熱平衡分布時(shí)間包括熱在流體中達(dá)到溫度分布的時(shí)間和熱量通過(guò)橫膈膜的固體傳熱分布的時(shí)間。傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間主要由兩部分組成：一是流場(chǎng)發(fā)生改變到穩(wěn)定分布所占的時(shí)間，當(dāng)流場(chǎng)發(fā)生改變，相應(yīng)的強(qiáng)迫對(duì)流換熱也發(fā)生改變；二是測(cè)溫電阻器的溫度發(fā)生改變到穩(wěn)定分布所占的時(shí)間。當(dāng)測(cè)量脈動(dòng)氣流的流量時(shí)，芯片表面流速的變化導(dǎo)致橫膈膜上各處溫度場(chǎng)快速變化，但由于溫度—時(shí)間函數(shù)屬于一個(gè)連續(xù)函數(shù)，因此，達(dá)到平衡溫度需要一個(gè)延遲時(shí)間，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為熱滯后[1～4]。

本文中模擬了恒定加熱溫差模式下，加熱電阻器的上下游在脈沖氣流作用下溫度與時(shí)間的曲線(xiàn)關(guān)系。

1 建 模

熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的傳感單元是一塊微型硅片，采用微硅加工技術(shù)在隔熱薄膜或者多層薄膜上將多只鉑熱敏電阻器與1只加熱器結(jié)合起來(lái)。如圖1，通過(guò)刻蝕硅片的反面，硅材料被去掉只留下隔膜，提高導(dǎo)熱效果減少熱容[5]。硅片粘在1塊金屬板上，置于氣流取樣流道正中。

圖1 硅微傳感單元的結(jié)構(gòu)

取樣流道置于進(jìn)氣管中間，如圖2所示，取樣流道位于主流道中央，出口處在取樣流道一側(cè)。發(fā)動(dòng)機(jī)的典型進(jìn)氣流量為400 kg/h，進(jìn)氣管內(nèi)的流速較高，不利于傳感器探頭的工作，為了使取樣流道中的空氣流動(dòng)為層流狀態(tài)，結(jié)構(gòu)中增加了流體截面的邊界約束，從而達(dá)到降低取樣流道內(nèi)的雷諾數(shù)。在主流道設(shè)計(jì)上采用折疊形狀，還在取樣流道中設(shè)置沿程損失和幾何局部阻力損失，使取樣流道內(nèi)的空氣流速降低。

圖2 取樣流道在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管中的位置

圖3 取樣流道的縱截面結(jié)構(gòu)

2 穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

傳感器加熱電阻器的工作模式為恒溫差加熱，熱電阻器的加熱溫度為200 ℃，大氣環(huán)境溫度為23 ℃。由于傳感器采用熱膜結(jié)構(gòu)，會(huì)導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，薄膜材料的導(dǎo)熱率有所降低[6]，SiO2薄膜的導(dǎo)熱率為0.83 W/(m·K)，Si3N4薄膜的導(dǎo)熱率為6 W/(m·K)。

如圖4和圖5所示，測(cè)試時(shí)管內(nèi)流量為200 kg/h時(shí)，膜片橫截面和縱截面的溫度分布，如圖4所示，由于微流道內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)，造成加熱電阻器的熱量被帶往下游，在加熱電阻器的上游會(huì)造成冷卻效應(yīng)，上游的測(cè)溫電阻器溫度明顯低于下游測(cè)溫電阻器的溫度。

圖4 取樣流道內(nèi)的橫截面溫度場(chǎng)

圖5 傳感器內(nèi)的縱截面溫度場(chǎng)

3 瞬態(tài)響應(yīng)

3.1 階躍脈沖氣流下傳感器動(dòng)態(tài)特性

為了測(cè)試傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，使用正階躍脈沖氣流進(jìn)行測(cè)試，正階躍脈沖氣流即為靜止情況下突然開(kāi)啟閥門(mén)，產(chǎn)生一個(gè)脈沖氣流。假設(shè)正階躍脈沖氣流流速為4 m/s，流動(dòng)速度在t=0時(shí)刻產(chǎn)生，在階躍脈沖產(chǎn)生前，傳感器處于自然對(duì)流換熱狀態(tài)，施加階躍脈沖氣流后，傳感器膜片表面的流速增加，強(qiáng)迫對(duì)流非常強(qiáng)烈，傳感器探頭的上游產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，局部溫度快速降低，如圖6所示，在1 ms時(shí)，膜片上游測(cè)溫電阻器處溫度降低22 K，隨著溫度的降低，上游測(cè)溫電阻器與流體溫差減小，對(duì)流換熱降低，逐漸達(dá)到熱平衡，傳感器的響應(yīng)時(shí)間為1.4 ms。

圖6 熱膜上游溫度變化(階躍脈沖)

如圖7所示，薄膜下游的溫度變化較小，一方面是由于階躍脈沖產(chǎn)生的強(qiáng)烈對(duì)流，對(duì)流換熱會(huì)降低薄膜表面的溫度；另一方面，部分熱量會(huì)被帶入而產(chǎn)生升溫效應(yīng)，傳感器的響應(yīng)時(shí)間為1.5 ms，傳感器采用橫膈膜結(jié)構(gòu)來(lái)隔熱，因?yàn)闄M膈膜厚度不到3 μm，故其熱容很小，橫膈膜上的溫度響應(yīng)較快，所以，利用橫膈膜結(jié)構(gòu)可以有效提高傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，但是過(guò)小的橫膈膜厚度會(huì)降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，容易造成薄膜破裂。

圖7 熱膜下游溫度變化(階躍脈沖)

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試

為了測(cè)試傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，進(jìn)行了氣道試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試，試驗(yàn)方案如圖8所示，主要設(shè)備包括氣道試驗(yàn)臺(tái)、測(cè)試儀表、ABB高級(jí)流量計(jì)、電磁閥等裝置，使用示波器測(cè)量和記錄傳感器輸出電壓，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試中，使用電磁閥控制氣流的流動(dòng)，得到階躍脈沖氣流流動(dòng)。

圖8 動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)測(cè)試裝置

如圖9所示，在階躍脈沖氣流作用下的傳感器電壓輸出和模擬曲線(xiàn)，試驗(yàn)測(cè)試獲得響應(yīng)時(shí)間大于模擬獲得的響應(yīng)時(shí)間，模擬計(jì)算中采用的是加熱電阻器恒溫邊界條件，試驗(yàn)過(guò)程中，加熱電阻器的溫度會(huì)隨著流速的改變而調(diào)整，但整體平均溫度始終與進(jìn)氣溫度保持一個(gè)恒定的溫差。橫膈膜的熱平衡需要一個(gè)自我調(diào)整的傳熱過(guò)程，所以，傳感器表現(xiàn)出一定的輸出信號(hào)滯后。

圖9 試驗(yàn)測(cè)試和計(jì)算模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

熱膜流量傳感器是一種可以有效測(cè)量發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)流動(dòng)的傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣管內(nèi)通過(guò)傳感器微流道把流速控制在層流范圍內(nèi)，研究了流量傳感器的探頭的溫度分布，利用脈沖氣流進(jìn)行了傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的分析，加熱電阻器上游的測(cè)溫電阻器在脈沖氣流作用下，溫度大幅降低，響應(yīng)速度較快，加熱電阻器下游的測(cè)溫電阻器區(qū)域溫度變化幅度較小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：計(jì)算方法合理，實(shí)際的加熱電阻器在脈沖氣流中，需要調(diào)整加熱電流來(lái)保證加熱電阻器的溫度，所以，實(shí)測(cè)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度低于計(jì)算模擬值，設(shè)計(jì)良好的熱膜傳感器可以實(shí)現(xiàn)高速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中的波動(dòng)測(cè)試。

參考文獻(xiàn):

[1] Ohyama Y,Hirasawa K,Nishimura Y,et al.Pulsating flow cha-racteristics of hot-wire air flow meter for gasoline fuel-injection systems[J].JSME International Journal,Series B,1995,38:143-148.

[2] Sturzebecher D,Anders S,Nitsche W.The surface hot wire as a means of measuring mean and fluctuating wall shear stress[J].Experiments in Fluids,2001,31(3):294-301.

[3] 閆衛(wèi)平，朱劍波,馬靈芝,等.金屬薄膜加熱器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2004 (4):615-618.

[4] 王伯年.史紹熙院士對(duì)層流流量計(jì)和內(nèi)燃機(jī)空氣流量測(cè)量的貢獻(xiàn)[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2001,19(6):531-534.

[5] Marek J,Illing M.Microsystems for the automotive industry[C]∥International Electron Devices Meeting 2000,San Francisco:IEEE,2000:3-8.

[6] 張立偉，馬靈芝,唐禎安,等.一種用于測(cè)量SiO2薄膜熱導(dǎo)率的測(cè)試方法[J].測(cè)控技術(shù)，2001,20(8):25-27.