熱式質量流量計探頭型式、安裝方式、環境溫度、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計方法.在論述熱式探頭測量氣體流量原理的基礎上,對探頭型式、安裝方式、環境溫度、供電電源等影響因素進行了較深入的分析,并對熱式流量儀表的設計提出了建議.
1.1 工作原理
熱式質量流量計是根據介質熱傳遞原理制成的一種流量儀表,一般用來測量氣體的質量流量.根據被測物理量的不同可以有以下3種測量關系:1)利用流體流過加熱管道時產生的溫度場變化與流體質量流量的關系;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量流量之間的關系;3)利用流體流過加熱探頭時帶走的熱量與流體質量流量的關系.熱式氣體流量計具有壓損低,流量范圍度大,高精度、高重復性和高可靠性,無可動部件以及可用于極低氣體流量監測和控制等特點.根據上述3種測量關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,可以通過檢測相應點的熱量變化來求出流量;另一種是在流動的流體中放置發熱元件,其溫度隨流速變化,可以通過檢測發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、非接觸式的邊界層流量計和熱分布型流量計;后者稱為熱導式,屬于這種測量方法的儀表有專線風速儀,浸入型流量計等.
利用加熱流體的熱量(或溫度)變化測量流體的質量流量計已有很長的歷史.早期的熱式流量計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,20世紀初提出的托馬斯流量計是這種流量計的代表[1].由于不能解決腐蝕和磨損以及防爆等問題,使它的工業應用受很大的限制.到20世紀50年代,人們提出了一種與流體不接觸的邊界層流量計[2],克服了接觸式流量計的缺點,但測量結果易受介質參數(如導熱系數、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,由于其的優點和與流體非接觸的性能在國內外得到了很快的發展,用來測量氣體的微小流量[3];隨著科技的發展,經過對流量計結構上的重新設計,在接觸式流量計的基礎上,人們提出了一種浸入型的熱式流量計[4-9],并得到了很快的發展,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構、安裝方式等在近年來得到了很快的發展,在氣體流量測量領域的應用也越來越多.本文的目的是通過幾年來對熱式質量流量計的研究[10-13],在闡述熱式流量計原理的基礎上,就探頭型式、安裝方式、環境溫度、供電電源等因數的影響作一總結.
1.2 數學模型
熱式氣體質量流量計的原理建立在熱平衡原理基礎上,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(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和補償電阻rc,在穩定的流場中形成平衡電橋,當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,使專線恢復到原來的溫度和電阻值,從而使電橋恢復平衡.實際上,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.當它有變化的趨勢時,通過運算放大器的反饋作用使供給專線的電流ih發生變化而保持探頭溫度(電阻)的恒定.
根據熱平衡原理,電流流過專線所產生的熱量應該等于流體流過專線所帶走的熱量.因為專線產生的熱量w取決于焦耳定律,而流體所帶走的熱量h取決于熱耗散規律,所以有:
對于有限長的專線,在穩定情況下的熱耗散應為對流引起的熱耗散qc、專線對支桿的熱傳導引起的熱耗散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qk與qc相比也可以忽略不計,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,因對流產生的熱傳遞關系式可以明確地表示.l.v.king對這個關系已進行了詳細的研究,因對流引起的熱耗散qc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、流速和導熱系數.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,對于專線風速儀或浸入式熱式流量計,實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應為常數,供給專線的電流ih就是空氣質量流量的衡量尺度.信號電流ih的平方與質量流量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,與質量流量qm之間的關系應為圖2的四次多項式曲線關系:
2 熱式探頭的型式
經過幾十年的發展,浸入型熱式流量計探頭已有很多種型式,適用于各種應用場合.*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,實驗室用的專線風速儀就是這種型式.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,一般只用于實驗室場合,對流速變化的反應非常靈敏.
用于實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,其結構如燈泡中的燈絲.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的結構有較高的靈敏度,能滿足一般的工程測量.但在強度和穩定性上始終存在問題,鉑絲螺線管穩定性好,但強度較低,不容易定型;鎢絲螺線管強度較高,但容易氧化,穩定性不夠好.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用,尤其在汽車空氣流量測量中的應用.在陶瓷基片上沉積加熱電阻和補償電阻的組合鉑膜探頭如圖3d,由于它使補償電阻和加熱電阻處于同上等場中,而且位置確定,能更好地補償流體溫度變化帶來的影響,故在氣體流速測量和工業管道氣體流量測量中正逐步得到廣泛應用.
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,響應速度下降,對氣流瞬態變化的反應不夠靈敏,致在某些特殊使用場合(如汽車行業)不能滿足動態響應的要求.
然而,圖3e和3f的結構卻可以解決該問題.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專線,兩端引線,很容易固定在流道中.這些結構都可以解決探頭的固定問題和動態響應問題.
用半導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.在遠離加熱器上游設置的測溫裝置測量流體溫度以補償流體溫度的影響.整個探頭的加熱測量部件被限制在一個非常小的尺度內,對流動的響應很敏感,它們已經被廣泛應用于汽車空氣流量的測量控制中.但由于半導體制作工藝復雜,只適合大批量生產,故該技術仍為少數國外企業所壟斷.
應用于工業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,有堅固的保護外殼,鉑絲不直接與流體接觸,所以應用較廣.但正由于有保護外殼的存在,使其動態響應速度大大降低,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用,其性能各異,存在的問題有:溫度補償問題,濕度影響問題,信號輸出長期穩定性問題,儀表設計中的安裝問題,電源問題,動態響應問題,等等.
3 介質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;當介質溫度t0變化時,探頭溫度t也隨之變化,探頭溫差(t-t0)也不恒定.因為從圖1的原理圖可以知道,任何介質溫度下,橋路平衡時,rh/r1= rc/r2,由于r1、r2是固定的精密電阻,所以,任何介質溫度下,其rh與rc的比值應為常數.如果用th表示專線溫度,用tc表示介質溫度,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,所以從式(6)可知,信號電流ih仍然是空氣質量流量的單元函數.這樣的探頭性能正是圖1的測
量橋路中補償電阻rc測量介質溫度進行補償的結果.
仔細分析式(6)中的系數a和b可知,介質溫度變化時,a和b并非常數,如式(4),它們與介質的導熱系數κ和定壓比熱容cp有關.各種氣體的導熱系數κ和定壓比熱容cp有較大不同.對于空氣,在中常溫范圍其導熱系數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a和b都在不同程度增加.即使質量流量不變,由于系數a和b都在提高,流量信號i也不是常數.所以,熱式氣體流量計尚不是真正的質量流量計,其輸出信號除與質量流量有關外,還與氣體物性參數如導熱系數、定壓比熱容等有關.
被測介質濕度的影響表現在濕度對導熱系數κ和密度ρ的變化上.常壓下水蒸氣的導熱系數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相同的規律,影響量與濕空氣的相對濕度?和溫度t有關.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),但在溫度較高時,空氣濕度的影響比較明顯.
4 熱式質量流量計設計
4.1 探頭電阻
熱式探頭電阻的設計選取,除了直接與探頭工作溫度、工作電流等指標有關之外,還與探頭結構及其幾何尺度有關.
探頭結構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均差不多的兩個熱膜探頭,在同樣的加熱電流條件下,試驗發現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,散熱條件應該很好;但專線探頭與熱膜探頭試驗比較發現,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,熱絲的溫度要遠高于熱膜溫度.所以,對于專線,應該選用較小的探頭電阻.
另外,探頭電阻設計與工作電流有密切關系,如果希望有較小的工作電流,就應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
要使熱式質量流量計正常工作,就必須使探頭溫度達到一定水平,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構的熱式探頭,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,當供電電壓較小時,應盡量減小圖1中的取樣電阻r1的阻值,以避免出現大流量信號的飽和現象.
4.3 質量流量計結構設計
無論是熱式流量計或熱式風速儀,熱式探頭在氣流通道上的安裝位置與結構,補償探頭的安裝位置與結構,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流速,補償探頭能否有效地感受流體溫度,其自熱效應有多大影響,對氣流的流動是否有阻礙等問題,都是流量計結構設計時應充分考慮的問題.試驗表明,這些因素對流量計的測量精度和穩定性有明顯影響.
5 存在問題
通過幾年來大量的試驗研究表明,熱式氣體質量流量計的輸出特性正如圖2,尤其在小流量時有很高的靈敏度,流量測量范圍度可達50~100 g/s甚至更大.對于氣體流量測量領域有特殊的應用場合,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行.
濕度的影響和修正問題,由于濕度環境的調節與檢測都有困難,所以熱式質量流量計濕度影響的實驗數據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,從而改變流量計的輸出特性.但具體影響量目前尚無法用數據描述.
