热线式空气流量计的测量技术

　　热线式空气流量计是测量空气流量的一种重要工具,它起源于20世纪初,一直广泛用于流体速度测量,并且在20世纪60年代以后曾一度是流体测速领域中的主要技术之一.随着近年来微电子技术和微加工技术的发展,采用微结构的热线式传感器的功耗大幅度降低,并具有更快的热动态响应速度,使得热线式传感器的研究和应用又一次受到了重视.汽车发动机电控化的发展给热线式空气流量传感器的应用带来了更广泛空间,它以能直接测出空气质量流量、测量准确度高、动态响应时间短等优点,被广泛应用在现代汽车发动机上[1].

　　1　热线式传感器的基本原理

　　热线式传感器的工作原理是利用通电的热线探头在流场中会产生热量损失来进行测量的,根据热平衡原理,热线中的热产生应该等于热耗散,即在热线没有热传导的情况下,加热电流在热线中产生的热量应该等于流体所带走的热量[2].对于有限长的热线,在稳定情况下总的热耗散包括:(1)对流引起的热耗散;(2)热线对支杆的热传导引起的热耗散;(3)热线的热辐射引起的热耗散.由于大多数场合,热线与周围的流体温度差小于200℃,辐射热可以忽略;且热线的长细比很大的情况下(l/d=∞),热线对支架的热传导与对流散热相比可以忽略不计,所以热线的热耗散主要是由对流引起的.由热线热耗散规律,对流换热量Qc可以表示为

　　其中,d为热线直径;h为对流换热系数;l为热线长度;TH为热线温度;Tf为流体温度.

　　引入努塞尔数Nu(Nu=hl/λf)及King公式(Nu=(A+BRe0.5)(TH-Tf))[3],热线热耗散率可以表示为

　　其中,λf为流体热传导率; Re=ρvd/μ,于是

　　式中:a,b为常数,与热线的结构参数有关;ρv为流体质量流速(kg/s).而热线单位时间内产生的焦耳热为

　　当达到热平衡时,即有

　　令q=ρv,

　　则q为单位面积的质量流量(kg/(m2s)).于是有

　　由此可看出在Tf一定的条件下,流体的流量q只是热线电流和温度的函数,即q=f(IH,TH),只要固定IH和TH这2个参数中的任何一个都可以获得流速q与另一个参数的单值函数关系.

　　(1)若电流IH固定,则q=f(TH),可根据热线温度TH测量流量q这种工作方式即为恒流工作方式;(2)若保持热线温度TH恒定,则q=f(IH)可根据流经热线的电流IH测量流量,这即为热线的恒温工作方式.

　　恒流法测量下限低,在小流速范围内具有较高的灵敏度,由于恒流法受电阻热时间常数的影响,会产生响应滞后,所以不适合动态响应要求高的场合.恒温法的反馈过程进行的非常迅速,近似完全补偿而没有热滞后效应,适用于流速的动态测量.