熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器動態(tài)特性研究

劉 偉， 丁水汀， 趙立峰

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院， 北京 100191； 2.北京航空航天大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 北京 100191；3.吉林大學(xué) 汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

0 引 言

發(fā)動機進氣過程中，進氣管內(nèi)的流動速度范圍為0～1 000 kg/h，尤其是在進氣量較大時，管內(nèi)流動復(fù)雜，氣流沿進氣管道做非穩(wěn)定流動，進氣管任一截面處流速和壓力都是周期性脈動變化的。熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器基于熱傳導(dǎo)原理，熱平衡分布時間包括熱在流體中達到溫度分布的時間和熱量通過橫膈膜的固體傳熱分布的時間。傳感器動態(tài)響應(yīng)時間主要由兩部分組成：一是流場發(fā)生改變到穩(wěn)定分布所占的時間，當流場發(fā)生改變，相應(yīng)的強迫對流換熱也發(fā)生改變；二是測溫電阻器的溫度發(fā)生改變到穩(wěn)定分布所占的時間。當測量脈動氣流的流量時，芯片表面流速的變化導(dǎo)致橫膈膜上各處溫度場快速變化，但由于溫度—時間函數(shù)屬于一個連續(xù)函數(shù)，因此，達到平衡溫度需要一個延遲時間，這個現(xiàn)象稱為熱滯后[1～4]。

本文中模擬了恒定加熱溫差模式下，加熱電阻器的上下游在脈沖氣流作用下溫度與時間的曲線關(guān)系。

1 建 模

熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器的傳感單元是一塊微型硅片，采用微硅加工技術(shù)在隔熱薄膜或者多層薄膜上將多只鉑熱敏電阻器與1只加熱器結(jié)合起來。如圖1，通過刻蝕硅片的反面，硅材料被去掉只留下隔膜，提高導(dǎo)熱效果減少熱容[5]。硅片粘在1塊金屬板上，置于氣流取樣流道正中。

圖1 硅微傳感單元的結(jié)構(gòu)

取樣流道置于進氣管中間，如圖2所示，取樣流道位于主流道中央，出口處在取樣流道一側(cè)。發(fā)動機的典型進氣流量為400 kg/h，進氣管內(nèi)的流速較高，不利于傳感器探頭的工作，為了使取樣流道中的空氣流動為層流狀態(tài)，結(jié)構(gòu)中增加了流體截面的邊界約束，從而達到降低取樣流道內(nèi)的雷諾數(shù)。在主流道設(shè)計上采用折疊形狀，還在取樣流道中設(shè)置沿程損失和幾何局部阻力損失，使取樣流道內(nèi)的空氣流速降低。

圖2 取樣流道在發(fā)動機進氣管中的位置

圖3 取樣流道的縱截面結(jié)構(gòu)

2 穩(wěn)態(tài)溫度場

傳感器加熱電阻器的工作模式為恒溫差加熱，熱電阻器的加熱溫度為200 ℃，大氣環(huán)境溫度為23 ℃。由于傳感器采用熱膜結(jié)構(gòu)，會導(dǎo)致薄膜結(jié)構(gòu)的尺寸效應(yīng)，薄膜材料的導(dǎo)熱率有所降低[6]，SiO2薄膜的導(dǎo)熱率為0.83 W/(m·K)，Si3N4薄膜的導(dǎo)熱率為6 W/(m·K)。

如圖4和圖5所示，測試時管內(nèi)流量為200 kg/h時，膜片橫截面和縱截面的溫度分布，如圖4所示，由于微流道內(nèi)的氣流運動，造成加熱電阻器的熱量被帶往下游，在加熱電阻器的上游會造成冷卻效應(yīng)，上游的測溫電阻器溫度明顯低于下游測溫電阻器的溫度。

圖4 取樣流道內(nèi)的橫截面溫度場

圖5 傳感器內(nèi)的縱截面溫度場

3 瞬態(tài)響應(yīng)

3.1 階躍脈沖氣流下傳感器動態(tài)特性

為了測試傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，使用正階躍脈沖氣流進行測試，正階躍脈沖氣流即為靜止情況下突然開啟閥門，產(chǎn)生一個脈沖氣流。假設(shè)正階躍脈沖氣流流速為4 m/s，流動速度在t=0時刻產(chǎn)生，在階躍脈沖產(chǎn)生前，傳感器處于自然對流換熱狀態(tài)，施加階躍脈沖氣流后，傳感器膜片表面的流速增加，強迫對流非常強烈，傳感器探頭的上游產(chǎn)生冷卻效應(yīng)，局部溫度快速降低，如圖6所示，在1 ms時，膜片上游測溫電阻器處溫度降低22 K，隨著溫度的降低，上游測溫電阻器與流體溫差減小，對流換熱降低，逐漸達到熱平衡，傳感器的響應(yīng)時間為1.4 ms。

圖6 熱膜上游溫度變化(階躍脈沖)

如圖7所示，薄膜下游的溫度變化較小，一方面是由于階躍脈沖產(chǎn)生的強烈對流，對流換熱會降低薄膜表面的溫度；另一方面，部分熱量會被帶入而產(chǎn)生升溫效應(yīng)，傳感器的響應(yīng)時間為1.5 ms，傳感器采用橫膈膜結(jié)構(gòu)來隔熱，因為橫膈膜厚度不到3 μm，故其熱容很小，橫膈膜上的溫度響應(yīng)較快，所以，利用橫膈膜結(jié)構(gòu)可以有效提高傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，但是過小的橫膈膜厚度會降低結(jié)構(gòu)的強度，容易造成薄膜破裂。

圖7 熱膜下游溫度變化(階躍脈沖)

3.2 動態(tài)試驗測試

為了測試傳感器的動態(tài)響應(yīng)特性，進行了氣道試驗臺的動態(tài)響應(yīng)測試，試驗方案如圖8所示，主要設(shè)備包括氣道試驗臺、測試儀表、ABB高級流量計、電磁閥等裝置，使用示波器測量和記錄傳感器輸出電壓，動態(tài)試驗測試中，使用電磁閥控制氣流的流動，得到階躍脈沖氣流流動。

圖8 動態(tài)特性試驗測試裝置

如圖9所示，在階躍脈沖氣流作用下的傳感器電壓輸出和模擬曲線，試驗測試獲得響應(yīng)時間大于模擬獲得的響應(yīng)時間，模擬計算中采用的是加熱電阻器恒溫邊界條件，試驗過程中，加熱電阻器的溫度會隨著流速的改變而調(diào)整，但整體平均溫度始終與進氣溫度保持一個恒定的溫差。橫膈膜的熱平衡需要一個自我調(diào)整的傳熱過程，所以，傳感器表現(xiàn)出一定的輸出信號滯后。

圖9 試驗測試和計算模擬結(jié)果

4 結(jié) 論

熱膜流量傳感器是一種可以有效測量發(fā)動機進氣管內(nèi)流動的傳感器，發(fā)動機進氣管內(nèi)通過傳感器微流道把流速控制在層流范圍內(nèi)，研究了流量傳感器的探頭的溫度分布，利用脈沖氣流進行了傳感器動態(tài)響應(yīng)特性的分析，加熱電阻器上游的測溫電阻器在脈沖氣流作用下，溫度大幅降低，響應(yīng)速度較快，加熱電阻器下游的測溫電阻器區(qū)域溫度變化幅度較小，實驗結(jié)果證明：計算方法合理，實際的加熱電阻器在脈沖氣流中，需要調(diào)整加熱電流來保證加熱電阻器的溫度，所以，實測的動態(tài)響應(yīng)速度低于計算模擬值，設(shè)計良好的熱膜傳感器可以實現(xiàn)高速的動態(tài)響應(yīng)，滿足發(fā)動機進氣中的波動測試。

參考文獻:

[1] Ohyama Y,Hirasawa K,Nishimura Y,et al.Pulsating flow cha-racteristics of hot-wire air flow meter for gasoline fuel-injection systems[J].JSME International Journal,Series B,1995,38:143-148.

[2] Sturzebecher D,Anders S,Nitsche W.The surface hot wire as a means of measuring mean and fluctuating wall shear stress[J].Experiments in Fluids,2001,31(3):294-301.

[3] 閆衛(wèi)平，朱劍波,馬靈芝,等.金屬薄膜加熱器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報，2004 (4):615-618.

[4] 王伯年.史紹熙院士對層流流量計和內(nèi)燃機空氣流量測量的貢獻[J].內(nèi)燃機學(xué)報，2001,19(6):531-534.

[5] Marek J,Illing M.Microsystems for the automotive industry[C]∥International Electron Devices Meeting 2000,San Francisco:IEEE,2000:3-8.

[6] 張立偉，馬靈芝,唐禎安,等.一種用于測量SiO2薄膜熱導(dǎo)率的測試方法[J].測控技術(shù)，2001,20(8):25-27.