组合热膜探头热式气体流量计的研制

　　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].首先,差压式、旋进旋涡和容积式等流量仪表压力损失较大,浪费能源的现象严重,涡轮流量计有可动部件,工作寿命短;其次,它们的测量范围度都比较小,差压式流量计一般在3倍左右,其它流量计在10倍左右,有的可以达到20倍左右,但在小流量测量方面有较大缺陷;第三,测量精度低,目前国内的上述气体流量仪表的测量精度一般也只能达到1%.

　　热式流量计在热线风速仪的基础上发展起来,一般用来测量气体的质量流量.其具有压损低,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[3-5].

　　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得到广泛应用的.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热膜探头[6-8],具有结构牢固、反应灵敏、一致性好等特点.

　　组合热膜探头将多个电阻集成在同一陶瓷基片上,是目前比较新颖的热式流量探头.一般在同一陶瓷基片上集成两个热膜电阻,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线组合热膜探头的内部结构如图1.

　　从内部结构可以看到,该探头是将加热电阻和补偿电阻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RC,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.

　　1　整体系统设计

　　控制核心单元选用的是美国TI公司生产的单片机MSP430F435,图2为整个系统的结构框图.系统控制器为一片MSP430F435单片机.外部模块包括流量检测、电源模块、按键模块、液晶显示模块、标准电流输出、时钟芯片等.

　　对于热式质量流量计来说,它的流量检测是根据热平衡原理,电流流过热膜探头所产生的热量应该等于流体流过热膜探头所带走的热量.在恒温工作模式下,利用惠斯登电桥可以得到与流量成一定对应关系的电压输出,然后经过信号放大电路使电压信号进入MSP430单片机的A/D转换模块转换为数字量,并进行流量的积算,最终使其具有瞬时流量和累积流量的液晶显示.