基于陶瓷基體鉑薄膜電阻熱式氣體質量流量計設計

劉志亮， 姜國光

(1.北京動力機械研究所,北京 100074；2.中國電子科技集團公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

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基于陶瓷基體鉑薄膜電阻熱式氣體質量流量計設計

劉志亮1， 姜國光2

(1.北京動力機械研究所,北京 100074；2.中國電子科技集團公司 第四十九研究所,黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要:提出了一種基于陶瓷基體鉑薄膜電阻熱式氣體質量流量計的設計方法，分析了熱式氣體流量計的原理，制作了陶瓷鉑電阻流量敏感元件，為降低加熱功耗，提出了通孔方案。設計了恒溫差控制電路和MSP430單片機處理電路，并制作出了實際樣機。采用音速噴嘴標定裝置對樣機進行了標定和測試，該流量計的測量范圍500～1 500 kg/h,精度±0.5 %，響應時間2 s，能夠滿足大工業氣體管道流量的測量要求，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞:熱式； 氣體流量計； 質量流量

0引言

熱式氣體質量流量計是一種常用的氣體質量流量檢測儀器，在航空航天、能源、醫療以及工業測量等領域都有著廣泛的應用[1]。傳統的氣體質量流量計多通過測量流體溫度、壓力等信號，再換算成即時流量的方法進行測量，由于氣體流動狀態不穩定，測量的準確性會受到影響[2]。特別是工業環境中，環境的壓力、溫度變化劇烈，氣體中含有的雜質較多，流量計的壽命和穩定性成為關鍵。熱線式氣體質量流量計[3]直接測量流體流量，測量值不因溫度或壓力的波動而失準，也不需要溫度壓力補償，但其熱線較為脆弱，在雜質較多的氣流環境中容易斷裂。基于硅微加工技術的熱膜式氣體質量流量傳感器[4]和氣體流速傳感器[5]很好地解決了抗沾污能力和抗氣體沖擊能力，因而在汽車與民用上得到了廣泛應用。但隨著工作條件的嚴酷性增加，上述傳感器的使用受到了限制，而陶瓷基板的熱膜式熱式氣體質量流量計可以彌補這些傳感器的不足，更適用于復雜惡劣的工業環境，具有量程大、環境影響小、響應快和壽命長等特點，解決了工業氣體質量流量測量的難題。

1熱式氣體質量流量計的原理

熱式氣體質量流量計的理論是傳熱學原理[6]，低溫的氣流流過高溫的加熱體時，兩者會進行熱交換，氣體質量流量的大小會影響熱交換的速率，通過測量熱交換的速率就能反過來得到氣體的質量流量。

熱交換的途徑有四種：強迫對流傳熱、自然對流傳熱、導熱傳熱和輻射傳熱。

強迫對流傳熱是指高雷諾數流體與固體之間的對流熱遞，該過程包含溫度邊界層內部的熱傳導和外部的熱對流，加熱體表面通過強迫對流傳熱帶走的熱量由牛頓冷卻定律可得

Qf=hfS(Th-Ta).

其中，Qf為強迫對流傳熱帶走的熱量，hf為強迫對流傳熱系數，S為加熱體的換熱面積，Th為加熱體的溫度，Ta為氣流的溫度。

自然對流傳熱是指靜止或低雷諾數流體與固體之間的對流熱傳遞，與強迫對流傳熱類似，加熱體表面通過自然對流傳熱帶走的熱量表示為

Qn=hnS(Th-Ta).

其中，Qn為自然對流傳熱帶走的熱量，hn為自然對流傳熱系數。

導熱傳熱主要是指固體之間的傳熱和固體與流體之間的邊界層傳熱，通過導熱傳熱帶走的熱量可以表示為

Qc=αS(Th-Tc)/δ.

其中，Qc為導熱傳熱帶走的熱量，α為加熱電阻器襯底的導熱系數，Tc為支撐件的溫度，δ為襯底導熱面的厚度。

輻射傳熱是指加熱體通過熱輻射散發的熱量，用公式可以表示為

Qr=εσS(Th-Ta).

其中，Qr為加熱體通過熱輻射散發的熱量，S為輻射換熱表面積。

對于質量流量為500～1 500kg/h的氣流，流體狀態為湍流，氣體與固體之間的換熱途徑主要為強迫對流傳熱。熱平衡時，加熱電阻器的加熱功率為Q=I2R，電阻器的加熱功率與散熱功率相等

I2R=hfS(Th-Ta).

其中，hf為強迫對流換熱系數可表示為質量流量的函數

式中A,B為常數，n為經驗常數。

加熱電阻器的電流與氣流質量流量形成一一對應關系

2熱式氣體質量流量計的設計

2.1陶瓷鉑電阻流量敏感元件設計

熱式氣體質量流量計的核心元件為其電阻流量敏感元件,它是采用具有溫度敏感特性的金屬薄膜材料通過蒸發或濺射等工藝生長在襯底材料上。目前用于制作氣體流量計的金屬材料主要用鉑和鎳兩種。其中,鉑薄膜熱敏電阻器具有良好的耐高溫和穩定性，被廣泛采用。流量敏感元件設計中主要考慮如下幾個因數：1)器件的工作溫度：為便于電路控制，提高測試精度，這里元件的工作模式基于恒定溫差模式，即在外界條件變化時，保持加熱電阻器的加熱溫度恒定高于環境溫度一個固定值；2)器件的加熱電阻值：當確定了器件的恒定溫差之后，根據熱學原理可以確定器件的加熱功率，在給定的工作電壓條件下，便可確定器件電阻值；3)降低功耗：熱式質量流量計的加熱功率是決定整個流量計功耗的關鍵指標，為此,本文工作對如何降低功耗開展了熱學分析與優化，提出在加熱電阻器周圍制作通孔的辦法來降低功耗(如圖1所示),通過在電阻的兩端各加工一個直徑φ1的通孔，測試結果表明，加熱功率將從1.41W降為1.3W，功耗減低8 %，進一步在電阻器周圍增加通孔可以將功耗大幅降低，但這將減小器件的耐氣流的機械強度，本文中采用了兩個通孔的方案。

圖1　陶瓷鉑電阻流量敏感元件Fig 1　Ceramic platinum resistance flow sensitive element

2.2加熱電路設計

加熱電阻器選用阻值隨溫度線性變化的鉑電阻器，需要將鉑電阻器的溫度加熱到比環境溫度高，常用的供電方式有恒定溫差法和恒定功率法。恒定溫差法是指加熱電阻器溫度與環境溫度的溫差為定值，恒定功率法是指加熱電阻器的加熱功率為定值，在加熱電阻器的上下游分別放置2只測溫電阻器，通過檢測2只測溫電阻器的溫差實現流量的測量。本文采用恒定溫差法進行測量，因為在流量較大時，恒定溫差法有更高的靈敏度。

圖2是恒溫差供電電路，HT是定制的鉑加熱電阻器，0 ℃阻值約為46 Ω，溫度系數為3 851×10-6℃-1。Pt1000熱敏電阻器用于溫度補償，R2，R3，HT，R9，R10和Pt1000組成惠斯通電橋，R3和R10用于修正2只鉑電阻器的溫度系數偏差，R6，R7，R8和OP1使得補償支路的最大電流小于0.5 mA，避免Pt1000自加熱導致電橋失衡，R1為電橋提供偏置電流。設置R9和R2的值可以設置加熱電阻器HT平衡時的溫度，即設置與環境溫度的恒定溫差值，取值為30～50 ℃。

圖2　恒溫差供電電路Fig 2　Constant temperature difference power supply circuit

電路上電后，HT初始溫度為環境溫度，運放OP2正相端電壓高于反相端，三極管開啟，電流流過HT，HT開始升溫，阻值變大，同時，OP2反相端電壓升高。當HT溫度到設定值，OP2正反相電壓相等，電橋平衡，當HT溫度過沖時，三極管關閉，反過程使得HT溫度下降，從而使加熱電阻器溫度恒定。

Pt1000電阻器反映的是環境溫度的變化，環境溫度升高時，OP2正相端電壓升高，電橋失衡，HT的溫度也會升高，通過合理設置R3和R10的值，補償2只鉑電阻器的溫度系數差，可以使得HT與Pt1000的溫差恒定。

2.3擬合輸出電路設計

數據采集和擬合部分采用TI公司的MSP430F169單片機實現，該單片機具有集成度高、外圍設備豐富以及低功耗等優點，在許多領域內得到了廣泛運用，電路框圖如圖3所示。

圖3　擬合輸出電路框圖Fig 3　Block diagram of fitting output circuit

信號調理部分包括濾波電路和放大電路等，作用是隔離模擬和數字部分、濾除紋波和調整信號幅值供單片機的ADC輸入。

MSP430F169單片機內置12位ADC，對前端信號進行采集和擬合后，輸出到DAC芯片TLV5638，再經過放大輸出電路輸出得到流量對應的電壓值。

3實驗測量

本氣體流量計采用標準的音速噴嘴標定裝置進行標定和測量，裝置在一根長約1 m，直徑約40 mm的金屬管中提供穩定的流量，流量計插入金屬管，使鉑電阻器正好位于管道中心。首先對氣體流量計進行標定擬合，設定音速噴嘴標定裝置的質量流量從500～1 500 kg/h變化，步長100 kg/h，標定擬合后的曲線如圖4所示。

圖4　熱式質量流量計標定擬合結果Fig 4　Calibration fitting results of thermal mass flow meter

將擬合的公式輸入MSP430單片機的程序，設定音速噴嘴裝置的質量流量范圍為500～1 500 kg/h，步長100 kg/h，得到測量流量與標稱流量的結果如表1，最大相對誤差為±0.5 %。

表1　實驗結果表

利用音速噴嘴裝置輸出一個階躍流量，測量流量計的動態響應時間，如圖5所示。可以看到流量計的響應時間約為2 s。

圖5　流量計動態響應曲線Fig 5　Dynamic response curve of flow meter

4結束語

本文基于恒溫差式質量流量測量方法，設計了一種工業用大流量質量流量計，并用音速噴嘴裝置測試了其性能，在質量流量500～1 500 kg/h范圍內實現了測量誤差為±0.5 %，響應時間為2 s的性能，滿足大多數工業氣體管道的流量測量。該流量計具有易于安裝、耐腐蝕、響應快和環境溫度自適應等特點，具有比較廣闊的應用前景。

參考文獻:

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[4]Oleg Sazhin.Novel mass air flow meter for automobile industry based on thermal flow microsensor I.Analytical model and microsensor[J].Flow Measurement and Instrumentation,2013(30):60-65.

[5]Woodward W Stephen.Low-power thermal airspeed sensor[J].Electronic Design, 1998(25):20-29.

[6]盛森芝.熱線熱膜流速計[M].北京：中國科學技術出版社，2003.

Design of thermal gas mass flowmeter based on platinum film resistors on ceramic substrate

LIU Zhi-liang1， JIANG Guo-guang2

(1.Beijing Power Mechanical Research Institute，Beijing 100074，China；2.49 Research Institute,China Electronics Technology Group Corporation，Harbin 150001，China)

Abstract:A kind of design method for thermal gas mass flowmeter based on platinum film resistors on ceramic substrate is presented,principle of thermal gas flowmeter is analyzed, platinum resistive flow sensor based on ceramic substrate is made.In order to reduce power supply, through-hole scheme is proposed.A prototype is fabricated with a thermostatic control circuit and MSP430 MCU processing circuit.Calibration and test are implemented using sonic nozzle calibration device, measurement range of flowmeter is 500～1 500 kg/h, precision is ±0.5 %,and response time is 2 s, which meet demand for most industrial pipe air mass flow test,and has broad application prospects.

Key words:thermal；air flowmeter；mass flow

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0071—03

收稿日期：2015—12—07

中圖分類號:TP 212.6

文獻標識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0071—03

作者簡介:

劉志亮(1979-)，男，吉林省龍井人，工學士,工程師，自動化專業，主要從事型號質量和基礎管理工作。