熱膜式氣體質量流量計|工作原理|結構詳解
摘要：介紹能夠測定空氣質量流量，且可自動補償溫度及壓力變化對空氣流量影響，測量精度高的熱膜式氣體質量流量計的原理、構造和性能。這種流量計可以滿足各種發(fā)動機進氣流量測量，特別是排放測試的需要。
1、概述：隨著發(fā)動機排放法規(guī)的要求越來越嚴格，發(fā)動機排放測試成為關鍵的問題。一般來說，發(fā)動機氣體排放分析儀所測量的都是氣體濃度值，而為了客觀衡量不同排量發(fā)動機的排放量，排放法規(guī)中規(guī)定的測量結果都是以質量為單位。所以為了將濃度值轉化成質量值，需要確定發(fā)動機進氣質量流量。進氣流量加上油耗量即是排氣量。
空氣流量測量方法多種多樣，主要有進口雙扭流量計、進口層流流量計、節(jié)流孔板流量計、渦輪流量計、渦街流量計等。以上流量計所使用的方法各不相同，但所測量的直接結果都是體積流量。為了獲得質量流量，在測量體積流量的同時需測出溫度和壓力，以求出空氣的密度，從而得到質量流量。
在發(fā)動機進氣流量的測量中，還有一定的特殊性，主要表現(xiàn)在兩個方面：
a. 測量傳感器的阻力要求盡量?。?br />b. 流量測量范圍盡量廣。
另外，本文所設計的熱膜式質量流量計對進氣過程不產生阻力，而且流量范圍廣、誤差小。
2、熱膜式質量流量計原理：
熱膜式空氣質量流量傳感器是在熱線式空氣質量流量傳感器的基礎上發(fā)展起來的，兩者原理相同。其傳感元件是一根極細的高溫度系數(shù)的金屬電阻絲。金屬電阻絲通電發(fā)熱，故稱熱線?？諝饬鬟^時，從熱線上帶走熱量。在環(huán)境空氣攝氏溫度保持恒定的情況下，熱線的熱平衡取決于三個因素，即氣流、電流和熱線溫度。為了建立熱線的熱平衡，有兩種方案：一種是恒電流方案，氣流改變時熱線溫度相應地改變，使得散失的熱量不變；另一種是恒電阻方案，即恒溫度方案，氣流改變時電流相應地改變，使得散失的熱量也改變。
圖1 熱線和熱膜式空氣質量流量傳感器電路原理
RK－溫度補償電阻 RH－加熱電阻 R1、R2、R3－電橋電阻 RS－膜電阻 UM－測量電壓 IH－加熱電流 IL－空氣溫度
RS是膜電阻，它只是傳感元件，傳感元件的加熱另由加熱元件 RH完成。RS安置在氣流中，其特點是：
這個電路有自動趨于平衡的趨勢，即 M 點與 N點之間的電位差自動趨于零。
一種平衡被打破，必然導致另一種平衡也要被打破。如果現(xiàn)在氣流增強，則氣流從RS帶走的熱量增多，熱平衡被打破，RS的溫度tS下降，使RS阻值下降，但 RM阻值不變，因此 RS和 RM的電壓降之比相應地改變，即 RS電壓降減小，點 M 的電位升高。接下去發(fā)生的過程是，點 M 和點 N 的電位差經運算放大器放大后使電橋供電電壓增大，RS電流增大，tS回升，一直升到氣流增強之前的溫度，RS阻值也恢復到原先的水平。
在這一過程中，其他各電阻的阻值均未改變，所以此時電橋恢復平衡。同時，RS也建立了新的熱平衡。與氣流增強以前不同的是，US提高了，RS和 RM上的電流增大了，UM隨之增大。所以，UB和 UM均可反映出氣流流量的變化(見圖 2)。
圖2 熱膜式空氣質量流量傳感器的輸出電壓特性UB－電壓輸出 ma－空氣流量
順便指出，在 t∝保持恒定的情況下，電橋恢復平衡后，(tS－ t∝)將與氣流增強前的保持相同： tS－t∝=const 如果 t∝變動，則 RK的溫度跟著變動。此時只有在 RK的溫度系數(shù)很低的情況下，式(2)才成立。否則，RK的阻值隨 t∝變動，(tS－ t∝)就不能保持恒定 。 實際上RK設計成具有很高的正溫度系數(shù)。正是利用這一點，可以實現(xiàn)溫度補償。
3、熱膜式質量流量計構造：
如圖 3 所示，熱膜式質量流量計主要由以下部分組成：
管道體要求壁面光滑，本設計采用不生銹部件，也可采用塑料件等。根據(jù)被測氣體流量范圍不同，管道內徑也不同；
熱膜傳感器組件 其作用在第 2節(jié)中已作詳細論 述 ； 測量通道 氣體流過的通道； 整流部件 由于熱膜式流量計要求流道內氣流穩(wěn)定，以保證測量精度，所以一般采用整流部件，該部件采用厚度 0.2mm、邊長 5mm 的六邊形鋁網制成，其深度100mm； 信號傳送插座 熱膜式質量流量計采用 0～5V電壓及 4～20m A 信號輸出，同時需 24VDC 供電； 智能電子處理器 是熱膜式質量流量計的中心處理單元，對與流量測量有關的各種信號進行綜合處理，并將流量變成標準輸出信號。
圖3 熱膜式質量流量計構造圖1- 管道體（不銹鋼制） 2- 熱膜傳感器組件 3-測量通道4-整流部件 5-信號傳送插座 6-智能電子處理器
4、熱膜式質量流量計性能：
本文所設計的熱膜式氣體質量流量計是一種智能型儀器。該儀器對小流量敏感、響應時間短、量程范圍寬，適用于各種氣體流量的測量。使用專用的軟件，通過RS-232接口或電子板上的三個按鈕可對傳感器組態(tài)。通過選擇不同的探桿長度，流量計可用于DN50至DN1200管道。
下面給出該熱膜式質量流量計的性能參數(shù)。
流速測量范圍0～94m/s 管道直徑DN50～DN1200 流量測量范圍0～350 000Nm3/h 溫度變化范圍±25℃，壓力變化范圍±3.5bar 精度 1.0%
4.2、雙量程或對兩種氣體標定(選項) ：
通過程序設定，并通過外接選擇開關，選擇兩種設定的一種。
4.3、量程調整：
通過現(xiàn)場組態(tài)可在50%至100%設定量程范圍內調整量程。
4.4、修正 K 系數(shù)：
K系數(shù)是一個應用于線性流量信號上的乘數(shù)因子，對不同的流體及應用場所，可通過改變標定系數(shù)來平衡誤差。
4.5、雙輸出信號：
熱膜式氣體質量流量計可輸出兩路線性信號，0～5VDC(0～10VDC 選項)和 4～20m A。
4.6 、智能軟件：
質量流量計智能軟件可通過帶RS-232接口的電纜直接將儀表與電腦連接，并通過操作程序對儀表組態(tài) 。
5、結論：
本熱膜式質量流量計設計滿足了各類發(fā)動機需要，流量測量精度高，特別適用于要求排放測量的場合。