熱膜式氣體質(zhì)量流量計(jì)|工作原理|結(jié)構(gòu)詳解
摘要：介紹能夠測(cè)定空氣質(zhì)量流量，且可自動(dòng)補(bǔ)償溫度及壓力變化對(duì)空氣流量影響，測(cè)量精度高的熱膜式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理、構(gòu)造和性能。這種流量計(jì)可以滿足各種發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量測(cè)量，特別是排放測(cè)試的需要。
1、概述：隨著發(fā)動(dòng)機(jī)排放法規(guī)的要求越來(lái)越嚴(yán)格，發(fā)動(dòng)機(jī)排放測(cè)試成為關(guān)鍵的問(wèn)題。一般來(lái)說(shuō)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣體排放分析儀所測(cè)量的都是氣體濃度值，而為了客觀衡量不同排量發(fā)動(dòng)機(jī)的排放量，排放法規(guī)中規(guī)定的測(cè)量結(jié)果都是以質(zhì)量為單位。所以為了將濃度值轉(zhuǎn)化成質(zhì)量值，需要確定發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣質(zhì)量流量。進(jìn)氣流量加上油耗量即是排氣量。
空氣流量測(cè)量方法多種多樣，主要有進(jìn)口雙扭流量計(jì)、進(jìn)口層流流量計(jì)、節(jié)流孔板流量計(jì)、渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)等。以上流量計(jì)所使用的方法各不相同，但所測(cè)量的直接結(jié)果都是體積流量。為了獲得質(zhì)量流量，在測(cè)量體積流量的同時(shí)需測(cè)出溫度和壓力，以求出空氣的密度，從而得到質(zhì)量流量。
在發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣流量的測(cè)量中，還有一定的特殊性，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：
a. 測(cè)量傳感器的阻力要求盡量??；
b. 流量測(cè)量范圍盡量廣。
另外，本文所設(shè)計(jì)的熱膜式質(zhì)量流量計(jì)對(duì)進(jìn)氣過(guò)程不產(chǎn)生阻力，而且流量范圍廣、誤差小。
2、熱膜式質(zhì)量流量計(jì)原理：
熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器是在熱線式空氣質(zhì)量流量傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，兩者原理相同。其傳感元件是一根極細(xì)的高溫度系數(shù)的金屬電阻絲。金屬電阻絲通電發(fā)熱，故稱熱線?？諝饬鬟^(guò)時(shí)，從熱線上帶走熱量。在環(huán)境空氣攝氏溫度保持恒定的情況下，熱線的熱平衡取決于三個(gè)因素，即氣流、電流和熱線溫度。為了建立熱線的熱平衡，有兩種方案：一種是恒電流方案，氣流改變時(shí)熱線溫度相應(yīng)地改變，使得散失的熱量不變；另一種是恒電阻方案，即恒溫度方案，氣流改變時(shí)電流相應(yīng)地改變，使得散失的熱量也改變。
圖1 熱線和熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器電路原理
RK－溫度補(bǔ)償電阻 RH－加熱電阻 R1、R2、R3－電橋電阻 RS－膜電阻 UM－測(cè)量電壓 IH－加熱電流 IL－空氣溫度
RS是膜電阻，它只是傳感元件，傳感元件的加熱另由加熱元件 RH完成。RS安置在氣流中，其特點(diǎn)是：
這個(gè)電路有自動(dòng)趨于平衡的趨勢(shì)，即 M 點(diǎn)與 N點(diǎn)之間的電位差自動(dòng)趨于零。
一種平衡被打破，必然導(dǎo)致另一種平衡也要被打破。如果現(xiàn)在氣流增強(qiáng)，則氣流從RS帶走的熱量增多，熱平衡被打破，RS的溫度tS下降，使RS阻值下降，但 RM阻值不變，因此 RS和 RM的電壓降之比相應(yīng)地改變，即 RS電壓降減小，點(diǎn) M 的電位升高。接下去發(fā)生的過(guò)程是，點(diǎn) M 和點(diǎn) N 的電位差經(jīng)運(yùn)算放大器放大后使電橋供電電壓增大，RS電流增大，tS回升，一直升到氣流增強(qiáng)之前的溫度，RS阻值也恢復(fù)到原先的水平。
在這一過(guò)程中，其他各電阻的阻值均未改變，所以此時(shí)電橋恢復(fù)平衡。同時(shí)，RS也建立了新的熱平衡。與氣流增強(qiáng)以前不同的是，US提高了，RS和 RM上的電流增大了，UM隨之增大。所以，UB和 UM均可反映出氣流流量的變化(見圖 2)。
圖2 熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的輸出電壓特性UB－電壓輸出 ma－空氣流量
順便指出，在 t∝保持恒定的情況下，電橋恢復(fù)平衡后，(tS－ t∝)將與氣流增強(qiáng)前的保持相同： tS－t∝=const 如果 t∝變動(dòng)，則 RK的溫度跟著變動(dòng)。此時(shí)只有在 RK的溫度系數(shù)很低的情況下，式(2)才成立。否則，RK的阻值隨 t∝變動(dòng)，(tS－ t∝)就不能保持恒定 。 實(shí)際上RK設(shè)計(jì)成具有很高的正溫度系數(shù)。正是利用這一點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。
3、熱膜式質(zhì)量流量計(jì)構(gòu)造：
如圖 3 所示，熱膜式質(zhì)量流量計(jì)主要由以下部分組成：
管道體要求壁面光滑，本設(shè)計(jì)采用不生銹部件，也可采用塑料件等。根據(jù)被測(cè)氣體流量范圍不同，管道內(nèi)徑也不同；
熱膜傳感器組件 其作用在第 2節(jié)中已作詳細(xì)論 述 ； 測(cè)量通道 氣體流過(guò)的通道； 整流部件 由于熱膜式流量計(jì)要求流道內(nèi)氣流穩(wěn)定，以保證測(cè)量精度，所以一般采用整流部件，該部件采用厚度 0.2mm、邊長(zhǎng) 5mm 的六邊形鋁網(wǎng)制成，其深度100mm； 信號(hào)傳送插座 熱膜式質(zhì)量流量計(jì)采用 0～5V電壓及 4～20m A 信號(hào)輸出，同時(shí)需 24VDC 供電； 智能電子處理器 是熱膜式質(zhì)量流量計(jì)的中心處理單元，對(duì)與流量測(cè)量有關(guān)的各種信號(hào)進(jìn)行綜合處理，并將流量變成標(biāo)準(zhǔn)輸出信號(hào)。
圖3 熱膜式質(zhì)量流量計(jì)構(gòu)造圖1- 管道體（不銹鋼制） 2- 熱膜傳感器組件 3-測(cè)量通道4-整流部件 5-信號(hào)傳送插座 6-智能電子處理器
4、熱膜式質(zhì)量流量計(jì)性能：
本文所設(shè)計(jì)的熱膜式氣體質(zhì)量流量計(jì)是一種智能型儀器。該儀器對(duì)小流量敏感、響應(yīng)時(shí)間短、量程范圍寬，適用于各種氣體流量的測(cè)量。使用專用的軟件，通過(guò)RS-232接口或電子板上的三個(gè)按鈕可對(duì)傳感器組態(tài)。通過(guò)選擇不同的探桿長(zhǎng)度，流量計(jì)可用于DN50至DN1200管道。
下面給出該熱膜式質(zhì)量流量計(jì)的性能參數(shù)。
流速測(cè)量范圍0～94m/s 管道直徑DN50～DN1200 流量測(cè)量范圍0～350 000Nm3/h 溫度變化范圍±25℃，壓力變化范圍±3.5bar 精度 1.0%
4.2、雙量程或?qū)煞N氣體標(biāo)定(選項(xiàng)) ：
通過(guò)程序設(shè)定，并通過(guò)外接選擇開關(guān)，選擇兩種設(shè)定的一種。
4.3、量程調(diào)整：
通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)組態(tài)可在50%至100%設(shè)定量程范圍內(nèi)調(diào)整量程。
4.4、修正 K 系數(shù)：
K系數(shù)是一個(gè)應(yīng)用于線性流量信號(hào)上的乘數(shù)因子，對(duì)不同的流體及應(yīng)用場(chǎng)所，可通過(guò)改變標(biāo)定系數(shù)來(lái)平衡誤差。
4.5、雙輸出信號(hào)：
熱膜式氣體質(zhì)量流量計(jì)可輸出兩路線性信號(hào)，0～5VDC(0～10VDC 選項(xiàng))和 4～20m A。
4.6 、智能軟件：
質(zhì)量流量計(jì)智能軟件可通過(guò)帶RS-232接口的電纜直接將儀表與電腦連接，并通過(guò)操作程序?qū)x表組態(tài) 。
5、結(jié)論：
本熱膜式質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)滿足了各類發(fā)動(dòng)機(jī)需要，流量測(cè)量精度高，特別適用于要求排放測(cè)量的場(chǎng)合。