基于熱式流量計的氣體檢測儀的設計

黃睿

【摘? 要】以汽車尾氣的排放量為研究對象，設計并制作出基于熱式氣體流量計的汽車尾氣檢測器。可采用汽車提供的蓄電池供電，可安裝于汽車尾氣排氣管內。系統擬采用Pt20和Pt200鉑電阻一體式傳感器作為檢測器件，采用STC89C51單片機片機作為主控芯片。

【關鍵詞】熱式流量計;測溫電阻;橋式電路

引言

儀器系統選用熱式氣體流量計作為尾氣排放量監測探頭。檢測探頭采用Pt10和Pt200鉑電阻一體式傳感器，兩個鉑電阻分別用于檢測氣體流速和氣體溫度，稱為測速和測溫電阻。當氣體流動時，會帶走測速電阻上的熱量。根據電阻熱量公式，通過檢測采樣電阻上電流的變化就可以計算出汽車尾氣的速度，即尾氣排放量。將采集得到的信號經過放大傳送至到單片機計算處理，最后將得到的氣體流量速度顯示并保存。

1.系統結構

熱式氣體質量流量儀是利用熱傳導原理來測量流體流量。設計中將傳感探頭直接插入氣體中，精確測量氣體的流速。傳感探頭主要有兩個鉑電阻組成，一個測量汽車尾氣的溫度，稱為測溫電阻。另一個加熱電阻，用于保持高于汽車尾氣的恒溫度，稱為測速電阻。當氣體流動時，會帶走測速電阻上的熱量，通過檢測采用電阻的熱損耗，就可以判定汽車尾氣的速度，即排放量。

系統檢測工作時，首先Pt10受熱升溫，Pt200用于感應被測氣體溫度，當氣流通過流量傳感器時，Pt10被冷卻，溫度下降，其電阻值隨之減小，電流增大，并且氣體流速越快，電流越大。再通過取樣電阻采集，將采樣的數據經過放大和模數轉換，傳送至到單片機，再經單片機處理，從而得到氣體流量速度，并通過顯示部分顯示出來。

2.全電路分析

TLE4275-Q1輸出一個穩定的5V電源，提供給后續電路供電。在電路開啟時，PT10被加熱到高于PT20015度，此時電橋處于平衡狀態。當有汽車尾氣流過時，尾氣會帶走PT10的溫度，從而溫度被改變，電阻值隨之改變，因而導致測速端電壓改變，從而電橋平衡被破壞，運放OP117輸出端電壓上升，從而LM317的ADJ的電壓上升，而ADJ電壓上升后使輸出端VO電壓上升，經過反饋電路使流過的測速端電阻的電流急劇增加，從而造成其溫度升高，電阻變小，測溫端的電壓隨之改變，電橋重新回歸平衡。當溫度升高到運放的同相端和反相端的電壓相同時，電流穩定，電橋平衡，就停止加熱。通過測量PT200電流的變化，根據熱交換平衡原理就可以得出氣體的流速。將檢測的PT200電流數據經過通過放大器LMV822M將信號放大，經A/D轉換電路轉換成數字信號送入單片機，經單片機內部計算和處理后，最后送入存儲芯片MB84RC64保存和顯示界面顯示。

3.結語

通過實驗驗證，檢測的數據非常精確。通過組態模式控制修正，借助相關設備，還可以可修正有害物排放系數、排氣管內徑。

該儀器可用于汽車檢測中心對汽車尾氣排放量的檢測和監控。整個測量系統結構簡單，無可動部件，抗震性能好，采用直插式檢測法，檢測數據精確，汽車的震動和高溫壓對測量不影響。檢測儀還可以將檢測的數據可動態保存，歷史數據可查，可隨時檢測汽車尾氣排放量的歷史數據。

參考文獻

[1]羅晶，陳平;熱式質量流量計測量電路設計.儀表技術與傳感器[J].2007[10]，128-130.

[2]唐明，趙志龍;熱式氣體流量計信號采集電路的設計與研究.測試技術學報[J].2014[2]，154-155.

[3]何凡帆;熱式質量流量計在AP1000中應用.中國高新技術企業[J].2014[15]，35-37.

[4]莫 如健.恒功率與恒溫差熱式氣體質量計比較.自動化博覽[J].2010 [11]，58-60.

基金項目：2021年杭州職業技術學院校級科研項目《汽車尾氣排放流量檢測儀的設計與開發》 ky202132