热膜风速计温度校正研究

　　0　引　言

　　热膜风速计(HFA)的测速原理是建立在热膜探头与被测流体间的强迫对流换热的基础上。HFA输出信号的大小不仅与流速v有关,而且,还与被测介质温度有关。因此,当测量环境下流体温度与标定时流体温度不同时,将直接影响测量结果的准确性,所以,必须对热膜风速计进行温度校正。常用的温度校正的方法可以分为两种:一种是分析校正法,即需要一个独立的温度传感器检测环境温度Ta,然后,将Ta插入到选择的热传递关系式中。在这种方法中,热膜探头工作在恒阻状态下。随着计算机和微电子技术的应用和发展,有关热膜风速计的温度校正大部分采用的是第一种方法[1~3]。分析校正的关键是确定热膜风速计的热传递关系式,即输出信号与风速和温度的函数关系。目前,有关风速计温度校正方面的研究基本上都是确定热传递公式。另一种是自动校正法,即在惠斯登电桥中加入一个温度传感器,对环境温度变化自动进行补偿。此时,热膜探头工作在非恒阻状态下。

　　到目前为止,利用King公式进行温度校正结果并不理想,根据无量纲热传递关系推导出的温度校正公式虽然精度有所改善,但无通用的热传递关系式,所以,该方法并没有得到广泛认可[1]。同时,采用分析校正法需要单独的温度传感器测量流体温度,相对比较复杂。本文从分析热膜探头温度特性着手,提出利用铂电阻对热膜风速计进行温度自动校正。

　　1　热膜探头温度特性及分析

　　为了定量地掌握热膜探头的温度特性,根据理论上热膜风速计的加热探头工作温度范围,对热膜探头在不同环境下进行恒流温度特性试验。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电流I,在不同的工况条件下,测量探头两端电压V,然后,计算热膜探头电阻。

　　由于热膜探头的工作温度很难精确测量,因此,在静态温度特性试验中,首先,建立热膜探头工作电阻随温度变化的曲线,即在热膜探头无自热效应的前提下(工作电流≤1mA),热膜探头电阻随环境温度变化趋势。根据实际情况,本文选用Pt20热膜探头作为试验研究对象。热膜探头在无自热效应下,热膜探头电阻随环境温度变化关系如图2所示。

　　本文是利用薄膜铂电阻作为加热元件,通以较大的电流,利用其自身的热效应,使铂膜探头达到一定的工作温度,作为测量气体流量敏感元件。

　　将热膜探头在不同试验条件下(v=0和v≠0)通以相同的电流(I=70mA),其电阻Rt与环境温度t间关系如图3所示。

　　热膜探头在静态的试验条件下(v=0),对热膜探头通以不同的工作电流,其电阻Rt与环境温度t之间关系如图4所示。