目前氣體流量檢測(cè)使用儀表一般有渦輪流量計(jì)、渦街流量計(jì)、旋進(jìn)旋渦流量計(jì)、差壓式流量計(jì)和容積式流量計(jì)等。這些儀表雖能滿足一般的工業(yè)應(yīng)用，但仍存在許多不足[1，2]。首先，差壓式、旋進(jìn)旋渦和容積式等流量?jī)x表壓力損失較大，浪費(fèi)能源的現(xiàn)象嚴(yán)重，渦輪流量計(jì)有可動(dòng)部件，工作壽命短;其次，它們的測(cè)量范圍度都比較小，差壓式流量計(jì)一般在3倍左右，其它流量計(jì)在10倍左右，有的可以達(dá)到20倍左右，但在小流量測(cè)量方面有較大缺陷;第三，測(cè)量精度低，目前國內(nèi)的上述氣體流量?jī)x表的測(cè)量精度一般也只能達(dá)到1%。
熱式流量計(jì)在**風(fēng)速儀的基礎(chǔ)上發(fā)展起來，一般用來測(cè)量氣體的質(zhì)量流量。其具有壓損低，測(cè)量范圍度大，無可動(dòng)部件以及可用于極低氣體流量監(jiān)測(cè)和控制等特點(diǎn)。在氣體流量檢測(cè)領(lǐng)域已得到一定的應(yīng)用[3-5]。
早期的熱式流量計(jì)也有用**(一般是直徑為3～20μm的鉑絲)作探頭的，但由于結(jié)構(gòu)上的原因，**置于氣流中，比較容易損壞。熱膜探頭就是因?yàn)槟軌蚩朔?*探頭容易損壞的缺點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用的。目前使用的熱膜探頭一般都是在微小的陶瓷基片上沉積金屬鉑形成的熱膜探頭[6-8]，具有結(jié)構(gòu)牢固、反應(yīng)靈敏、一致性好等特點(diǎn)。
組合熱膜探頭將多個(gè)電阻集成在同一陶瓷基片上，是目前比較新穎的熱式流量探頭。一般在同一陶瓷基片上集成兩個(gè)熱膜電阻，一個(gè)作加熱使用，一個(gè)作補(bǔ)償使用。兩個(gè)電阻或獨(dú)立引線(4線)，或接成公共端引線(3線)。3線組合熱膜探頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1。
從內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以看到，該探頭是將加熱電阻和補(bǔ)償電阻串聯(lián)集成在一片底層陶瓷基片上，基片厚度僅為0.15mm，兩個(gè)電阻由三條低阻導(dǎo)線引出，探頭尺寸為7mm×2.4mm。傳感元件包括兩個(gè)固定于底層基片的隨溫度變化的鉑膜電阻和一個(gè)公共端，其中低阻值電阻的一塊小區(qū)域用作加熱電阻RH，在0℃時(shí)，探頭電阻為45Ω(±0.5%);而另外一個(gè)高阻值電阻用作補(bǔ)償電阻RC，在0℃時(shí)，探頭電阻為1200Ω(±0.5%)。因?yàn)樗臒崛萘康停?a href="http://www.xdxwzx.com/subject/s106.html" target='_blank' title='傳感器'>傳感器有較快的加熱和冷卻的反應(yīng)時(shí)間。
1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)
控制核心單元選用的是美國TI公司生產(chǎn)的單片機(jī)MSP430F435，圖2為整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。系統(tǒng)控制器為一片MSP430F435單片機(jī)。外部模塊包括流量檢測(cè)、電源模塊、按鍵模塊、液晶顯示模塊、標(biāo)準(zhǔn)電流輸出、時(shí)鐘芯片等。
對(duì)于熱式質(zhì)量流量計(jì)來說，它的流量檢測(cè)是根據(jù)熱平衡原理，電流流過熱膜探頭所產(chǎn)生的熱量應(yīng)該等于流體流過熱膜探頭所帶走的熱量。在恒溫工作模式下，利用惠斯登電橋可以得到與流量成一定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電壓輸出，然后經(jīng)過信號(hào)放大電路使電壓信號(hào)進(jìn)入MSP430單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，并進(jìn)行流量的積算，*終使其具有瞬時(shí)流量和累積流量的液晶顯示。
1.1 組合熱膜探頭檢測(cè)電路
組合熱膜探頭的流量檢測(cè)電路如圖3。主要包括溫度補(bǔ)償電路和信號(hào)放大兩部分，其中溫度補(bǔ)償橋路完全是在探頭散熱特性的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，在整個(gè)檢測(cè)電路中具有很重要的作用。探頭散熱特性試驗(yàn)和補(bǔ)償設(shè)計(jì)原則與單熱膜探頭類似[6，7]。不同點(diǎn)是組合熱膜探頭的補(bǔ)償電阻與加熱電阻在同一陶瓷基片上，所以，加熱電阻的熱量必定會(huì)影響補(bǔ)償電阻感受介質(zhì)溫度。為了消除這種影響，可以在探頭散熱特性試驗(yàn)時(shí)預(yù)先檢測(cè)加熱探頭在不同環(huán)境溫度下對(duì)補(bǔ)償探頭測(cè)溫的影響，并在補(bǔ)償橋路設(shè)計(jì)時(shí)加以扣除。
加熱探頭RH和補(bǔ)償探頭RC都安裝在流通管道中，兩個(gè)探頭與固定電阻R1和R2組成測(cè)量橋路。管道中氣流靜止時(shí)，根據(jù)加熱探頭的散熱特性設(shè)計(jì)的橋路參數(shù)將使通過加熱探頭RH的電流IH維持在某一靜態(tài)電流以維持探頭溫度TH。當(dāng)氣流通過管道時(shí)，探頭溫度TH有下降的趨勢(shì)，這一趨勢(shì)通過反饋能及時(shí)增加探頭電流IH來維持探頭原有的溫度TH，這就是恒溫工作方式。
可以證明，通過加熱探頭的電流IH與質(zhì)量流速ρv之間有式(1)所示的關(guān)系[9]。
當(dāng)探頭工作在恒溫方式時(shí)，**和被測(cè)氣體的R溫度差(TH-TC)保持一定，RH應(yīng)為常數(shù)，供給**的電流IH就是空氣質(zhì)量流量的衡量尺度。信號(hào)電流IH的平方與質(zhì)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(hào)，通過放大處理輸出，與質(zhì)量流量qm之間的關(guān)系應(yīng)為四次多項(xiàng)式曲線關(guān)系。
1.2 軟件設(shè)計(jì)
整體系統(tǒng)的軟件程序采用C語言編寫，軟件算法的設(shè)計(jì)以測(cè)量的**性為主要目標(biāo)，其主要程序流程圖如圖4。
系統(tǒng)的軟件部分主要包括信號(hào)采集、瞬時(shí)流量計(jì)算模塊、流量累積模塊、串行同步/異步模塊、顯示和按鍵處理模塊[10]。
瞬時(shí)流量計(jì)算模塊主要就是將A/D轉(zhuǎn)換后的電壓信號(hào)按照式(2)算出瞬時(shí)流量。
式(2)中：A，B，C，D為待定常數(shù)。
流量累積模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心，關(guān)系到整個(gè)儀表的精度。軟件設(shè)計(jì)思路采用1s一次的定時(shí)中斷對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行累積，實(shí)現(xiàn)流量的累積。
為了能夠?qū)崿F(xiàn)流量信號(hào)的遠(yuǎn)傳需要將流量信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)，也就是標(biāo)準(zhǔn)電流輸出單元。本單元的核心部分是采用AD420芯片來實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)通過串行同步/異步模塊(USART)，然后再經(jīng)過AD420轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的4～20mA電流信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸。
按鍵處理模塊主要是使LCD液晶具有瞬時(shí)流量和累積流量的切換顯示功能。
2 流量測(cè)量實(shí)驗(yàn)
根據(jù)上述流量檢測(cè)電路，設(shè)計(jì)了DN25的組合熱膜探頭氣體流量傳感器，流量傳感器的探頭安裝結(jié)構(gòu)如圖5。在音速噴嘴檢測(cè)裝置上對(duì)流量傳感器進(jìn)行了多次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，取3組實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如表1。
把表1的數(shù)據(jù)畫成曲線圖如圖6。
從表1和圖6可以看出，電壓與流量之間具有較好的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，于是我們就可以根據(jù)輸出的電壓來檢測(cè)流場(chǎng)中的流量。并且在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)氣體流量相同時(shí)，三組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓值也基本相同，即三組實(shí)驗(yàn)的輸出電壓重復(fù)性較好。這就表明該組合熱膜探頭測(cè)量氣體流量是可行的。
3 曲線擬合及誤差分析
我們采用的是多項(xiàng)式擬合。一般流量計(jì)對(duì)應(yīng)的響應(yīng)方程通常需要描述成Q=F(U)，Q為流量，U為對(duì)應(yīng)變化的電壓。
這里對(duì)實(shí)驗(yàn)中的**組數(shù)據(jù)進(jìn)行基于*小二乘法的6階多項(xiàng)式曲線擬合，并確定其擬合公式，建立流量傳感器的數(shù)學(xué)模型。如式(3)：
根據(jù)式(3)計(jì)算這三組所測(cè)流量的擬合誤差，如表2。
從表2可以看出三組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合誤差均在0.5%以下，完全符合一般工業(yè)管道流量的測(cè)量，而且其測(cè)量范圍度很廣，在60倍左右，且精度非常高。這是其它流量計(jì)無法比擬的。
4 結(jié)語
本文所研究的組合熱膜探頭氣體流量傳感器，在工作電流為30mA左右時(shí)，探頭環(huán)境溫差已有攝氏100多度，具有較高的靈敏度。該工作電流不到一般20Ω熱膜電阻工作電流的一半，從而使探頭更不容易損壞。
試驗(yàn)表明，該氣體流量傳感器測(cè)量范圍大，重復(fù)性好，響應(yīng)速度高。經(jīng)音速噴嘴氣體流量裝置實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，6階擬合誤差小于±0.5%，測(cè)量范圍達(dá)60∶1，可以用于管道氣體流量的測(cè)量。
公安機(jī)關(guān)備案號(hào)：
