基于热传递的铂膜气体流量计实验研究

　　铂膜车用气体流量计安装在汽车空气滤清器和节气门之间的进气通道上,用来测量吸入发动机中的空气量,其输出信号作为汽车发动机燃油电喷系统中控制燃油喷射量的主要参数,决定着汽车的基本喷油量.电喷发动机为了在各种运行工况下都能获得最佳燃油浓度的混合气,必须正确地测定每一瞬间吸入发动机的空气量,作为电控单元计算并控制喷油量的主要依据.所以,车用流量计在现代汽车中对节约能源消耗和控制污染物排放起着重要作用.

　　热式空气流量计是目前主要的车用流量计之一,其敏感元件一般为一根很细的热线(直径约为0·03~0·05 mm的铂丝或钨丝)或在陶瓷基片上沉积金属(如铂)形成的热膜.无论是热线还是热膜,实际上都是一个阻值随温度变化的电阻.由于热线在结构上存在一致性差,使用寿命短等缺点,目前应用于汽车发动机上的热式空气流量计主要以热膜为主[123].其工作原理与广泛使用的热线风速仪类似[4].在空气流通管路中放置一个或多个发热体(热膜或热线),由于发热体的热量被流动的空气带走,发热体本身会被冷却,所以它的阻值会随气体流速发生变化.热膜周围通过的空气流量越大,被带走的热量就越多,探头的阻值变化也越大.热膜式空气流量计就是利用热膜电阻与空气之间的这种热传递现象进行空气流量测量的[5,6].如果是多个热膜测量,则热膜探头的位置应精确布置[7],否则影响测量精度.对于中小管径的气体流量测量,一般只在管道中心使用一只热膜探头.

　　除了气流的速度,气流的温度对热膜探头的散热也有很大影响,造成流量计的输出在流速不变时也会随气流温度的变化而变化[8].为了使流量传感器的输出仅随流量变化,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,在设计时必须考虑热式探头的温度补偿[9,10].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.我们在设计研制中发现,热探头的形式(热线、热膜)、结构、体积、散热面积等参数都对探头传热有很大影响.即使是同阻值、同形式、同结构的探头,由于封装厚度的差异,替换时流量计的输出也有较大差异.所以,热探头的散热特性对热式流量计的设计极为重要.

　　1　热探头的散热特性研究

　　散热特性研究的目的是定量地掌握各种热线、热膜探头在各种环境温度下的散热性能.我们根据实际车用流量计的探头工作电流范围,对德国、日本等进口的各种热膜、0·03 mm的铂热线等10多个探头进行了一系列散热特性试验.试验方案如图1所示.将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,在通过探头的气流静止(u=0)和气流流动(u≠0)两种工况下,测量电压V1和V2,计算探头温度.