熱膜式氣體流量傳感器溫度補償電路研究

諶福華 王長虹 程穎 齊虹

中國電子科技集團公司第四十九研究所， 黑龍江 哈爾濱 150001

熱膜式氣體流量傳感器溫度補償電路研究

諶福華 王長虹 程穎 齊虹

中國電子科技集團公司第四十九研究所， 黑龍江 哈爾濱 150001

過對熱膜式氣體流量傳感器發(fā)熱控制電路的分析，設(shè)計和優(yōu)化補償電阻，提出了R1是溫度補償主要電阻。補償電阻R1對環(huán)境溫度變化時，對恒定加熱絲溫度起到關(guān)鍵作用，環(huán)境溫度變化時使溫控電路分壓比相應(yīng)發(fā)生變化63.70%～69.63%（環(huán)境溫度由-15℃～85℃），且在不同結(jié)構(gòu)、量程的熱膜流量傳感器，設(shè)定的加熱電阻溫度和分壓比是有差異的，對補償電阻的合理選取及匹配電阻參數(shù)合理設(shè)計，可擴展熱膜式流量傳感器溫度使用范圍，可提高傳感器熱靈敏度漂移及熱零點漂移等性能指標(biāo)。對提高流量精度、完善熱膜流量設(shè)計、開發(fā)新產(chǎn)品、形成產(chǎn)品系列化有指導(dǎo)意義。

補償電阻；熱靈敏度漂移；熱零點漂移；加熱電阻；分壓比

1 工作原理

熱膜氣體質(zhì)量傳感器是基于熱傳輸工作原理，基于最新的MEMS微加工技術(shù)，傳感器內(nèi)含一塊獨特的流量敏感芯片，它包含薄膜測溫?zé)崦綦娮琛l(fā)熱及熱敏匹配電阻，參見結(jié)構(gòu)圖1，作為熱源的加熱鉑電阻Rh放置在管道中間,加熱電阻Rh兩端各放置一個測溫?zé)崦綦娮鑂a、Rb，測溫電阻緊挨加熱電阻，用以檢測溫度變化。Rc、Rd和Rf為熱敏匹配電阻，匹配電阻離加熱電阻相對較遠，不受加熱電阻溫度影響，只受環(huán)境溫度影響。匹配電阻電路保持加熱電阻溫度恒定高于周圍一固定溫度，加熱電阻滿足公式（1）。

Tm--為加熱電阻溫度

T0—為環(huán)境溫度即流體溫度

A--加熱電阻和其管壁及其內(nèi)部氣體總熱傳導(dǎo)系數(shù)

W—加熱電阻加熱功率

可見溫差一定，加熱電阻加熱功率與氣體質(zhì)量流量qm，介質(zhì)比定壓熱容CP成正比，即

CP--介質(zhì)比定壓熱容

qm--氣體質(zhì)量流量

Rh為加熱電阻阻值

從式（3）可以看出Tm-T0溫差不變，加熱絲Rh不變時，氣體質(zhì)量流量qm與加熱電阻所加電壓U2成正比。實際氣體比熱容受壓力溫度的影響，但變化比較小，常溫100℃之內(nèi)影響小于1%，實際中控制Tm-T0溫差恒定，即控制加熱電阻溫度度始終恒定高于環(huán)境溫度一固定溫度（160℃）是提高傳感器精度主要指標(biāo)。圖2為加熱溫度控制電路，R1為不隨環(huán)境溫度變化的固定電阻。

圖1 熱膜發(fā)熱器敏感電阻結(jié)構(gòu)圖

2 流量傳感器溫度補償過程分析

2.1 當(dāng)質(zhì)量流量氣體溫度不變

2.1.1 當(dāng)流量氣體溫度不變，無氣體通過流量工作狀態(tài)，參見圖2溫度補償及加熱電阻電路。LM124⑩腳電壓即為加熱電阻Rh電壓，電壓為(Rc+R1)U0/（Rf+Rc+R1），U0為LM124⑧腳電壓，LM124⑩腳電壓由Rf、R1、Rc電阻決定，即決定加熱電阻電壓，電路穩(wěn)定狀態(tài)時LM124⑨腳電壓與⑩腳電壓相等即（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）= Rh1/（Rh1+ Rd），即電阻分壓比相等。參見表1中常溫20℃，靜態(tài)電阻電壓分壓比65.40%，加熱電阻Rh1阻值達1.174K，滿足溫度系數(shù)公式；α=(Rt2-Rt1)/Δ t*Rt1），已知溫度系數(shù)3200ppm/℃。

圖2 溫度補償及加熱電阻電路

2.1.2 當(dāng)熱膜式氣體流量傳感器流量發(fā)生變化。流體溫度恒定常溫，(環(huán)境溫度不變)，工作狀態(tài)下除加熱電阻及橋臂電阻Ra及Rb外，其他敏感電阻與周圍環(huán)境溫度相同，分壓比=（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）與無流量時相同，保持恒定。而氣體流量變化時，加熱電阻擴散到周圍環(huán)境中熱能增加，流量使加熱電阻溫度降低，阻值減小，Rf/（Rc+R1）＜Rd/Rh0，使LM124⑨腳電壓降低，電路產(chǎn)生負反饋，致使LM124⑧腳電壓升高，加熱電阻電壓升高，加熱電阻功耗增加，轉(zhuǎn)變的熱能增加，使加熱電阻阻值保持恒定，即保持電阻比（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）= Rh1/（Rh1+ Rd）。環(huán)境溫度不變，參見表1，流量變化時加熱電阻保持恒定，流量變化加熱電阻阻值不變，電阻上電壓隨流量增加電壓升高，而電阻分壓比不變。

常溫參數(shù)R1=1.5k Ω、Rd=0.601k Ω、Rh=0.729k Ω、Rc=6.04k Ω、Rf=3.97k Ω

表1 當(dāng)補償電阻R1為1.5k Ω時，常溫20℃動態(tài)分壓比數(shù)據(jù)

2.2 質(zhì)量流量氣體溫度相對變化

2.2.1 當(dāng)流體溫度變化時，因匹配電阻Rd與Rf、Rc一起隨環(huán)境溫度變化，外接補償電阻R1阻值不隨環(huán)境溫度變化，R1對流量芯片其他芯片電阻而言相當(dāng)于負溫度系數(shù)電阻，當(dāng)其他電阻變大,相當(dāng)于R1變小，即R1可認為阻值不隨氣體溫度變化，但電阻比（Rc1+R1）/（Rc1+R1+ Rf1）隨環(huán)境溫度發(fā)生變化，即電阻電壓分壓比隨環(huán)境溫度發(fā)生變化，R1越大變化越明顯，溫度越高，分壓比越小。在無補償電阻R1,當(dāng)環(huán)境溫度過低于常溫時，匹配電阻值Rd過低，加熱電阻發(fā)熱量達不到要求，低溫時補償電阻R1可提高分壓比，提高加熱電阻電壓，起到溫度補償作用。參見表2及表3。以量程6L/min為例，85℃時運放LM124⑧、⑩管腳及加熱電阻電壓分別為5.646V、3.638V、3.63V,此時分壓比64. 4%，當(dāng)溫度降低-15℃時，運放LM124⑧、⑩管腳及加熱電阻電壓分別為4.61V、3.20V、3.21V,此時分壓比69.65%。因Rd電阻隨環(huán)境溫度變化，為保持Rh加熱電阻溫度始終比環(huán)境溫度高出一固定溫度160～170℃左右，如不加補償電阻R1，溫度變化，分壓比不變，則高溫段加熱電阻溫度與環(huán)境溫度溫度差遠高于低溫段加熱電阻溫度與低溫環(huán)境溫度差，則流量芯片高溫靈敏度比較高，低溫靈敏度低，將產(chǎn)生比較大熱靈敏度漂移及熱零點漂移。

表2 當(dāng)補償電阻R1為1.5k Ω時，低溫-15℃動態(tài)分壓比數(shù)據(jù)

2.2.2 當(dāng)測試氣體環(huán)境溫度變化時，且氣體流量發(fā)生變化時。參見表2及表3，此時環(huán)境溫度影響電阻分壓比，

（Rc1+R1）/（Rc1+R1+ Rf1）= Rh2/(Rd1+Rh2), Rh2為環(huán)境溫度變化后加熱絲電阻值，在此分壓比作用下，流量增加，LM124⑧管腳電壓升高，加熱電阻電壓升高，加熱電阻功耗增加，使加熱電阻Rh2動態(tài)下溫度保持恒定。環(huán)境溫度-15℃時，加熱絲電阻保持1.051k Ω不變，氣體流量由0L/min變化到6L/min時，分壓比69.6%基本不變，加熱電阻上電壓由3.2V變化到4. 39V。傳感器環(huán)境溫度85℃時，加熱絲電阻保持1.282k Ω不變，氣體流量由0L/min變化到6L/min時，分壓比63.7%基本不變，加熱電阻上電壓由3.950V變化到5.252V。

表3 當(dāng)補償電阻R1為1.5k Ω時，高溫85℃動態(tài)分壓比數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

在熱膜式流量傳感器溫控電路設(shè)計過程中，外接補償電阻R1及加熱電阻和匹配電阻設(shè)計參數(shù)選取至關(guān)重要。R1是溫度補償主要電阻。環(huán)境溫度變化，使靜態(tài)分壓比發(fā)生變化，R1使電路達到溫度補償、提高精度作用。合理設(shè)計匹配電阻參數(shù)，可實現(xiàn)合理設(shè)定加熱電阻溫度目的，可以實現(xiàn)加熱電阻溫度隨環(huán)境溫度線性變化，不隨流量變化，同時減少匹配電阻功率損耗。對提高熱膜式流量傳感器溫度使用范圍，完善熱膜流量設(shè)計，開發(fā)新產(chǎn)品，形成產(chǎn)品系列化等方面起到非常重要作用。

[1]蔡武昌.流量測量技術(shù)及儀表.北京機械工業(yè)出版社.2002.5

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.059

諶福華（1967—）男 工程師 中國電子科技集團公司第四十九研究所 封裝中心,主要從事傳感器溫度補償研究。