热式流量计组合铂膜探头特性研究

　　0　引言

　　热式流量计是在早期热线风速仪的基础上发展起来的一种新型流量检测仪表,具有压损低、测量范围大、无可动部件、可靠性高以及可用于极低气体流量监测和控制等特点,因此,被广泛应用于航空、航天、能源、汽车工业以及天然气管道运输等行业[1]。根据敏感元件类型,热式流量计可分为热线敏感元件、热膜敏感元件和组合铂膜敏感元件共三种。在分析了三种敏感元件的优缺点,并对各种热线、热膜探头进行试验研究的基础上[2-3],最终提出基于组合铂膜探头的热式气体流量计。实验结果表明,本文采用的流量传感器对提高气体流量测量的精度是有效的。

　　1　温度特性研究

　　流量传感器以热传递原理为基础,即在空气流通管路中放置一个或多个发热体(铂膜或热线),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。铂膜周围通过的空气流量越大,被带走的热量就越多,探头的阻值变化也就越大。铂膜式空气流量计就是利用铂电阻与空气之间的这种热传递现象进行空气流量测量的。除了气体的流量大小,气流的温度对铂膜电阻的散热也有很大影响,造成流量计的输出在流量恒定的情况下也会随气流温度的变化而变化。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。而补偿电路的设计与气流温度对铂膜电阻的影响量即铂膜电阻的温度特性有关。通过对上文的分析可知,对铂膜探头的温度特性研究极为重要。温度特性实验方案如图1所示。

　　图1　温度特性实验图

　　Fig. 1　The experimental graphic of thetemperature characteristics

　　将铂膜探头放置在温度可调的恒温箱中,给探头加上某一恒定电流,通过测量总电压和铂膜探头两端的电压,计算探头温度。温度特性曲线图如图2所示。

　　图2　温度特性曲线图

　　Fig. 2　The curves of the temperature characteristics

　　由图2可以看出,在静止气流和恒流供电情况下,组合铂膜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。当组合铂膜探头温差较低时,探头的灵敏度不高,而温差太大,容易造成探头的损坏。所以,最终确定组合铂膜探头工作电流应在30mA左右,这时探头具有较高的灵敏度,探头也不易损坏。温度补偿是使电路能自动地根据气流温度变化改变探头的工作温度,实现在相同流量下输出与气流温度变化无关的稳定电压。温度补偿电路如图3所示。