组合热膜探头在气体流速测量中的应用

　　风速仪是用来测量气体流速的仪器,目前工业上测量管道气体流速的方法主要有热线风速仪和毕托管测速仪。其中热线风速仪测量范围较宽,约为0~100 m/s,适用于测量层流、紊流和高速脉动流,并有较高的测量精确度,可达0.1%或0.01 m/s[1],但是它价格昂贵,一般为3~5万美元[2]。由于其原理是将一根通电加热的细金属丝(称热线,一般都是直径为3~5μm的铂丝)置于气流中,根据热线在气流中的散热量与流速的关系来测量流速,所以也比较娇气,容易损坏[123]。而毕托管是根据所测得的总压和静压之差Δp来测量流速的,由于流速一般都与

成正比[4,5],所以在管道内的风速比较小时,毕托管输出的差压值较小,有时仅有几个帕斯卡,因此,读数所产生的误差较大。例如在常温常压时,风速达到13m/s时,毕托管输出的差压也只有100 Pa左右(约10 mmH2O),在倾斜度为0.2的倾斜式微压计上液柱的长度也只有50 mm,在读数时产生的误差就比较大。所以,毕托管并不适合于测量低流速的气体。

　　ST10组合热膜探头是以热传递原理为基础的流速传感器,测量原理和特性与热线风速仪相似[6,7],但工作可靠,价格便宜。传感器外形和结构尺寸分别如图1、图2.

　　ST10组合热膜探头是将加热电阻和补偿电阻串联组合集成在一片底层厚度为0.15 mm的陶瓷基片上,有三条低阻导线引出,探头尺寸为7 mm×2.4 mm×0.15 mm。传感元件包括两个固定于底层的随温度变化的铂电阻和一个公共端,其中低阻值电阻的一块小区域用作加热电阻RH,在0℃时,探头电阻为45Ω(±0.5%);而另外一个高阻值电阻用作补偿电阻RS,在0℃时,探头电阻为1 200Ω(±0.5%)。因为它的热容量低,传感器有较快的加热和冷却的反应时间。该组合热膜探头不但价格便宜,同时又弥补了毕托管在低速情况下误差较大的问题。

　　1　组合热膜探头的温度特性

　　为了使流速传感器的输出仅随流速变化,无论是传统的热分布型质量流量计还是新型的浸入型质量流量计,在设计时都必须考虑热式探头的温度补偿[8,9]。而补偿电路的设计与气流温度对热膜的影响量也即热膜的温度特性有关。所以对热膜探头的散热特性的研究就极为重要。散热特性的研究是为了掌握组合热膜探头在各种环境温度下的散热性能[10]。试验方案如图3.

　　将组合热膜探头放置在温度可调的恒温箱中,给探头加上某一恒定的工作电流I,通过探头的气流静止,测量电压V1和V2,计算探头温度,同时用万用表测量补偿探头的电阻值,测试结果如图4和表1。

　　从图表中可以看出:

　　(1)在静止气流、恒流供电情况下,探头工作温度随环境温度的提高基本呈线性提高,即探头工作温度与环境温度之间的温差基本保持不变。如热膜探头在静止气流中,20 mA工作电流时温差基本为43℃左右, 30 mA工作电流时温差基本为100℃左右,而40 mA工作电流时温差基本为205℃左右。