劉志亮， 姜國(guó)光

(1.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京 100074；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于陶瓷基體鉑薄膜電阻熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)

劉志亮1， 姜國(guó)光2

(1.北京動(dòng)力機(jī)械研究所,北京 100074；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要:提出了一種基于陶瓷基體鉑薄膜電阻熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)方法，分析了熱式氣體流量計(jì)的原理，制作了陶瓷鉑電阻流量敏感元件，為降低加熱功耗，提出了通孔方案。設(shè)計(jì)了恒溫差控制電路和MSP430單片機(jī)處理電路，并制作出了實(shí)際樣機(jī)。采用音速?lài)娮鞓?biāo)定裝置對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了標(biāo)定和測(cè)試，該流量計(jì)的測(cè)量范圍500～1 500 kg/h,精度±0.5 %，響應(yīng)時(shí)間2 s，能夠滿足大工業(yè)氣體管道流量的測(cè)量要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:熱式； 氣體流量計(jì)； 質(zhì)量流量

0引言

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是一種常用的氣體質(zhì)量流量檢測(cè)儀器，在航空航天、能源、醫(yī)療以及工業(yè)測(cè)量等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的氣體質(zhì)量流量計(jì)多通過(guò)測(cè)量流體溫度、壓力等信號(hào)，再換算成即時(shí)流量的方法進(jìn)行測(cè)量，由于氣體流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，測(cè)量的準(zhǔn)確性會(huì)受到影響[2]。特別是工業(yè)環(huán)境中，環(huán)境的壓力、溫度變化劇烈，氣體中含有的雜質(zhì)較多，流量計(jì)的壽命和穩(wěn)定性成為關(guān)鍵。熱線式氣體質(zhì)量流量計(jì)[3]直接測(cè)量流體流量，測(cè)量值不因溫度或壓力的波動(dòng)而失準(zhǔn)，也不需要溫度壓力補(bǔ)償，但其熱線較為脆弱，在雜質(zhì)較多的氣流環(huán)境中容易斷裂?；诠栉⒓庸ぜ夹g(shù)的熱膜式氣體質(zhì)量流量傳感器[4]和氣體流速傳感器[5]很好地解決了抗沾污能力和抗氣體沖擊能力，因而在汽車(chē)與民用上得到了廣泛應(yīng)用。但隨著工作條件的嚴(yán)酷性增加，上述傳感器的使用受到了限制，而陶瓷基板的熱膜式熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)可以彌補(bǔ)這些傳感器的不足，更適用于復(fù)雜惡劣的工業(yè)環(huán)境，具有量程大、環(huán)境影響小、響應(yīng)快和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，解決了工業(yè)氣體質(zhì)量流量測(cè)量的難題。

1熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的理論是傳熱學(xué)原理[6]，低溫的氣流流過(guò)高溫的加熱體時(shí)，兩者會(huì)進(jìn)行熱交換，氣體質(zhì)量流量的大小會(huì)影響熱交換的速率，通過(guò)測(cè)量熱交換的速率就能反過(guò)來(lái)得到氣體的質(zhì)量流量。

熱交換的途徑有四種：強(qiáng)迫對(duì)流傳熱、自然對(duì)流傳熱、導(dǎo)熱傳熱和輻射傳熱。

強(qiáng)迫對(duì)流傳熱是指高雷諾數(shù)流體與固體之間的對(duì)流熱遞，該過(guò)程包含溫度邊界層內(nèi)部的熱傳導(dǎo)和外部的熱對(duì)流，加熱體表面通過(guò)強(qiáng)迫對(duì)流傳熱帶走的熱量由牛頓冷卻定律可得

Qf=hfS(Th-Ta).

其中，Qf為強(qiáng)迫對(duì)流傳熱帶走的熱量，hf為強(qiáng)迫對(duì)流傳熱系數(shù)，S為加熱體的換熱面積，Th為加熱體的溫度，Ta為氣流的溫度。

自然對(duì)流傳熱是指靜止或低雷諾數(shù)流體與固體之間的對(duì)流熱傳遞，與強(qiáng)迫對(duì)流傳熱類(lèi)似，加熱體表面通過(guò)自然對(duì)流傳熱帶走的熱量表示為

Qn=hnS(Th-Ta).

其中，Qn為自然對(duì)流傳熱帶走的熱量，hn為自然對(duì)流傳熱系數(shù)。

導(dǎo)熱傳熱主要是指固體之間的傳熱和固體與流體之間的邊界層傳熱，通過(guò)導(dǎo)熱傳熱帶走的熱量可以表示為

Qc=αS(Th-Tc)/δ.

其中，Qc為導(dǎo)熱傳熱帶走的熱量，α為加熱電阻器襯底的導(dǎo)熱系數(shù)，Tc為支撐件的溫度，δ為襯底導(dǎo)熱面的厚度。

輻射傳熱是指加熱體通過(guò)熱輻射散發(fā)的熱量，用公式可以表示為

Qr=εσS(Th-Ta).

其中，Qr為加熱體通過(guò)熱輻射散發(fā)的熱量，S為輻射換熱表面積。

對(duì)于質(zhì)量流量為500～1 500kg/h的氣流，流體狀態(tài)為湍流，氣體與固體之間的換熱途徑主要為強(qiáng)迫對(duì)流傳熱。熱平衡時(shí)，加熱電阻器的加熱功率為Q=I2R，電阻器的加熱功率與散熱功率相等

I2R=hfS(Th-Ta).

其中，hf為強(qiáng)迫對(duì)流換熱系數(shù)可表示為質(zhì)量流量的函數(shù)

式中A,B為常數(shù)，n為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

加熱電阻器的電流與氣流質(zhì)量流量形成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系

2熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的設(shè)計(jì)

2.1陶瓷鉑電阻流量敏感元件設(shè)計(jì)

熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的核心元件為其電阻流量敏感元件,它是采用具有溫度敏感特性的金屬薄膜材料通過(guò)蒸發(fā)或?yàn)R射等工藝生長(zhǎng)在襯底材料上。目前用于制作氣體流量計(jì)的金屬材料主要用鉑和鎳兩種。其中,鉑薄膜熱敏電阻器具有良好的耐高溫和穩(wěn)定性，被廣泛采用。流量敏感元件設(shè)計(jì)中主要考慮如下幾個(gè)因數(shù)：1)器件的工作溫度：為便于電路控制，提高測(cè)試精度，這里元件的工作模式基于恒定溫差模式，即在外界條件變化時(shí)，保持加熱電阻器的加熱溫度恒定高于環(huán)境溫度一個(gè)固定值；2)器件的加熱電阻值：當(dāng)確定了器件的恒定溫差之后，根據(jù)熱學(xué)原理可以確定器件的加熱功率，在給定的工作電壓條件下，便可確定器件電阻值；3)降低功耗：熱式質(zhì)量流量計(jì)的加熱功率是決定整個(gè)流量計(jì)功耗的關(guān)鍵指標(biāo)，為此,本文工作對(duì)如何降低功耗開(kāi)展了熱學(xué)分析與優(yōu)化，提出在加熱電阻器周?chē)谱魍椎霓k法來(lái)降低功耗(如圖1所示),通過(guò)在電阻的兩端各加工一個(gè)直徑φ1的通孔，測(cè)試結(jié)果表明，加熱功率將從1.41W降為1.3W，功耗減低8 %，進(jìn)一步在電阻器周?chē)黾油卓梢詫⒐拇蠓档?，但這將減小器件的耐氣流的機(jī)械強(qiáng)度，本文中采用了兩個(gè)通孔的方案。

圖1　陶瓷鉑電阻流量敏感元件Fig 1　Ceramic platinum resistance flow sensitive element

2.2加熱電路設(shè)計(jì)

加熱電阻器選用阻值隨溫度線性變化的鉑電阻器，需要將鉑電阻器的溫度加熱到比環(huán)境溫度高，常用的供電方式有恒定溫差法和恒定功率法。恒定溫差法是指加熱電阻器溫度與環(huán)境溫度的溫差為定值，恒定功率法是指加熱電阻器的加熱功率為定值，在加熱電阻器的上下游分別放置2只測(cè)溫電阻器，通過(guò)檢測(cè)2只測(cè)溫電阻器的溫差實(shí)現(xiàn)流量的測(cè)量。本文采用恒定溫差法進(jìn)行測(cè)量，因?yàn)樵诹髁枯^大時(shí)，恒定溫差法有更高的靈敏度。

圖2是恒溫差供電電路，HT是定制的鉑加熱電阻器，0 ℃阻值約為46 Ω，溫度系數(shù)為3 851×10-6℃-1。Pt1000熱敏電阻器用于溫度補(bǔ)償，R2，R3，HT，R9，R10和Pt1000組成惠斯通電橋，R3和R10用于修正2只鉑電阻器的溫度系數(shù)偏差，R6，R7，R8和OP1使得補(bǔ)償支路的最大電流小于0.5 mA，避免Pt1000自加熱導(dǎo)致電橋失衡，R1為電橋提供偏置電流。設(shè)置R9和R2的值可以設(shè)置加熱電阻器HT平衡時(shí)的溫度，即設(shè)置與環(huán)境溫度的恒定溫差值，取值為30～50 ℃。

圖2　恒溫差供電電路Fig 2　Constant temperature difference power supply circuit

電路上電后，HT初始溫度為環(huán)境溫度，運(yùn)放OP2正相端電壓高于反相端，三極管開(kāi)啟，電流流過(guò)HT，HT開(kāi)始升溫，阻值變大，同時(shí)，OP2反相端電壓升高。當(dāng)HT溫度到設(shè)定值，OP2正反相電壓相等，電橋平衡，當(dāng)HT溫度過(guò)沖時(shí)，三極管關(guān)閉，反過(guò)程使得HT溫度下降，從而使加熱電阻器溫度恒定。

Pt1000電阻器反映的是環(huán)境溫度的變化，環(huán)境溫度升高時(shí)，OP2正相端電壓升高，電橋失衡，HT的溫度也會(huì)升高，通過(guò)合理設(shè)置R3和R10的值，補(bǔ)償2只鉑電阻器的溫度系數(shù)差，可以使得HT與Pt1000的溫差恒定。

2.3擬合輸出電路設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集和擬合部分采用TI公司的MSP430F169單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)具有集成度高、外圍設(shè)備豐富以及低功耗等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域內(nèi)得到了廣泛運(yùn)用，電路框圖如圖3所示。

圖3　擬合輸出電路框圖Fig 3　Block diagram of fitting output circuit

信號(hào)調(diào)理部分包括濾波電路和放大電路等，作用是隔離模擬和數(shù)字部分、濾除紋波和調(diào)整信號(hào)幅值供單片機(jī)的ADC輸入。

MSP430F169單片機(jī)內(nèi)置12位ADC，對(duì)前端信號(hào)進(jìn)行采集和擬合后，輸出到DAC芯片TLV5638，再經(jīng)過(guò)放大輸出電路輸出得到流量對(duì)應(yīng)的電壓值。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)量

本氣體流量計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的音速?lài)娮鞓?biāo)定裝置進(jìn)行標(biāo)定和測(cè)量，裝置在一根長(zhǎng)約1 m，直徑約40 mm的金屬管中提供穩(wěn)定的流量，流量計(jì)插入金屬管，使鉑電阻器正好位于管道中心。首先對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行標(biāo)定擬合，設(shè)定音速?lài)娮鞓?biāo)定裝置的質(zhì)量流量從500～1 500 kg/h變化，步長(zhǎng)100 kg/h，標(biāo)定擬合后的曲線如圖4所示。

圖4　熱式質(zhì)量流量計(jì)標(biāo)定擬合結(jié)果Fig 4　Calibration fitting results of thermal mass flow meter

將擬合的公式輸入MSP430單片機(jī)的程序，設(shè)定音速?lài)娮煅b置的質(zhì)量流量范圍為500～1 500 kg/h，步長(zhǎng)100 kg/h，得到測(cè)量流量與標(biāo)稱(chēng)流量的結(jié)果如表1，最大相對(duì)誤差為±0.5 %。

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表

利用音速?lài)娮煅b置輸出一個(gè)階躍流量，測(cè)量流量計(jì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間，如圖5所示?？梢钥吹搅髁坑?jì)的響應(yīng)時(shí)間約為2 s。

圖5　流量計(jì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線Fig 5　Dynamic response curve of flow meter

4結(jié)束語(yǔ)

本文基于恒溫差式質(zhì)量流量測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了一種工業(yè)用大流量質(zhì)量流量計(jì)，并用音速?lài)娮煅b置測(cè)試了其性能，在質(zhì)量流量500～1 500 kg/h范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量誤差為±0.5 %，響應(yīng)時(shí)間為2 s的性能，滿足大多數(shù)工業(yè)氣體管道的流量測(cè)量。該流量計(jì)具有易于安裝、耐腐蝕、響應(yīng)快和環(huán)境溫度自適應(yīng)等特點(diǎn)，具有比較廣闊的應(yīng)用前景。

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Design of thermal gas mass flowmeter based on platinum film resistors on ceramic substrate

LIU Zhi-liang1， JIANG Guo-guang2

(1.Beijing Power Mechanical Research Institute，Beijing 100074，China；2.49 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

Abstract:A kind of design method for thermal gas mass flowmeter based on platinum film resistors on ceramic substrate is presented,principle of thermal gas flowmeter is analyzed, platinum resistive flow sensor based on ceramic substrate is made.In order to reduce power supply, through-hole scheme is proposed.A prototype is fabricated with a thermostatic control circuit and MSP430 MCU processing circuit.Calibration and test are implemented using sonic nozzle calibration device, measurement range of flowmeter is 500～1 500 kg/h, precision is ±0.5 %,and response time is 2 s, which meet demand for most industrial pipe air mass flow test,and has broad application prospects.

Key words:thermal；air flowmeter；mass flow

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0071—03

收稿日期：2015—12—07

中圖分類(lèi)號(hào):TP 212.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1000—9787(2016)02—0071—03

作者簡(jiǎn)介:

劉志亮(1979-)，男，吉林省龍井人，工學(xué)士,工程師，自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，主要從事型號(hào)質(zhì)量和基礎(chǔ)管理工作。