基于组合铂膜探头的气体流量计实验研究与数据处理

　　1　引　言

　　目前气体流量检测使用仪表一般有涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、差压式流量计和容积式流量计等。这些仪表虽能满足一般的工业应用,但仍存在许多不足[1,2]。热式流量计是在热线风速仪基础上发展起来的[3],一般用来测量气体的质量流量,具有压损低、测量范围度大、无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点。在气体流量检测领域已得到一定的应用[4~6]。早期的热式流量计也有用热线(一般是直径为3~20μm的铂丝)作探头的,但由于结构上的原因,热线置于气流中比较容易损坏。热膜探头就是因为能够克服热线探头容易损坏的缺点而得到广泛应用。目前使用的热膜探头一般都是在微小的陶瓷基片上沉积金属铂形成的铂膜探头[7~9],具有结构牢固、反应灵敏、一致性好等特点。组合铂膜探头是将多个电阻集成在同一陶瓷基片上。一般在同一陶瓷基片上集成两个铂膜电阻,一个作加热使用,一个作补偿使用。两个电阻或独立引线(4线),或接成公共端引线(3线)。3线组合铂膜探头的外形见图1,内部结构见图2。

　　从图2可见,探头是将加热电阻RH和补偿电阻RC串联集成在一片底层陶瓷基片上,基片厚度仅为0·15 mm,两个电阻由三条低阻导线引出,探头尺寸为7 mm×2·4 mm。传感元件包括两个固定于底层基片的随温度变化的铂膜电阻和一个公共端,其中低阻值电阻的一块小区域用作RH,在0℃时,探头电阻为45Ω(0·5%);而另外一个高阻值电阻用作RC,在0℃时,探头电阻为1 200Ω(0·5%)。因为热容量低,传感器有较快的加热和冷却的反应时间。

　　2　组合铂膜探头检测电路

　　组合铂膜探头的流量检测电路见图3。主要包括温度补偿和信号放大两部分:其中温度补偿桥路完全建立在探头散热特性的基础上进行设计,在整个检测电路中具有很重要的作用。探头散热特性试验和补偿设计原则与单热膜探头类似[7,8]。不同的是组合铂膜探头的补偿电阻与加热电阻在同一陶瓷基片上,所以加热电阻的热量会影响补偿电阻。为了消除这种影响,可以在探头散热特性试验时预先检测加热探头在不同环境温度下对补偿探头测温的影响,并在补偿桥路设计时加以扣除。加热电阻RH和补偿电阻RC都安装在流通管道中,两个电阻与固定电阻R1和R2组成测量桥路。管道中气流静止时,根据RH的散热特性设计的桥路参数将使通过RH的电流IH维持在某一静态电流以维持其温度TH。当气流通过管道时TH有下降的趋势,这一趋势通过反馈能及时增加IH来维持探头原有的温度TH,这就是恒温工作方式。通过加热电阻的电流IH与质量流速ρv间有式(1)关系[10]: