基于恒温差的热式空气流量计

２０１７焦　仪表技术与传感器　２０１７　第６期　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｎｏ．６　基于恒温差的热式空气流量计　汪余景。翟军勇　（东南大学自动化学院，江苏南京２１００９６）　摘要：文中提出了一种基于恒温差的热式空气流量计的设计方法。该流量计采用微型流量传感　器、集成测速铂电阻和测温铂电阻，能够有效补偿环境温度对空气流量的影响。采用多项式最小二乘　法，建立空气流量与传感器输出电压之间的数学模型，通过单片机处理，输出标准的４—２０　ｍＡ电流信　号。实验数据结果表明，该流量计具有响应速度快、测量范围大、测量精度高和重复性好等优点。　关键词：空气流量；微型流量传感器；环境温度补偿；多项式　中图分类号：ＴＰ２１２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００２—１８４１（２０１７）０６－００４１－０３　Ｔｈｅｒｍａｌ　Ａｉｒ　Ｆｌｏｗ　Ｍｅｔｅｒ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｃｏｎｓｔａｎｔ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ　ｒＡＮＧ　Ｙｕ－ｊｉｎｇ．ＺＨＡＩ　Ｊｕｎ—ｙｏｎｇ　（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００９６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ａ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｔｈｅｒｍａｌ　ａｉｒ　ｆｌｏｗ　ｍｅｔｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｃｏｎｓｔａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｆｌｏｗ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｕｓｅｄ　ａ　ｍｉｃｒｏ　ｆｌｏｗ　ｓｅｎｓｏｒ，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｏｆ　ｐｌａｔｉｎｕｍ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ａｎｄ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｐｌａｔｉｎｕｍ　ｒｅｓｉｓｔ－　ｎｔｅ．ａＩｔ　Ｃａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｆ　ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ａｉｒ　ｆｌｏｗ．ｈｅ　ｍａｔＴｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｊｒ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｈｅ　ｏｕｔｔｐｕｔ　ｖｏｌｔａｇｅ　ｏｆ　ｈｅ　ｓｅｎｓｏｒ　ｔＷａＳ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｏｌｙｎｏｍｉｌ　ｌｅａａｓｔ　ｓｑｕａｒｅ　ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　４—２０　ｍＡ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｕｔ－　ｐｕｔ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｗａｓ　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｃｈｉｐ　ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．ｈｅ　ｒｅｓｕｌＴｔｓ　ｏｆ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　ｐｒｏｖｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｆｌｏｗｍｅｔｅｒ　ｈａｓ　ａ　ｆａｓｔ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｓｐｅｅｄ，ｌｒｇｅ　ｍｅａａｓｕｒｉｎｇ　ｒａｎｇｅ，ｈｉｓｈ　ａｃｃｕｒａｃｙ　ａｎｄ　ｇｏｏｄ　ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｉｒ　ｆｌｏｗ；ｍｉｃｒｏ　ｆｌｏｗ　ｓｅｎｓｏｒ；ａｍｂｉｅｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐｏｌｙｎｏｍｉａｌ　０引言　计的流量计采用２个金属铂电阻。分布在惠斯登电桥　热式空气质量流量计是一种常见的质量流量计，　的两臂，分别用于测量空气的温度（测温探头）和空气　的速度（测速探头）。在测量电路中，通过运算放大器　其工作原理是基于加热元件在空气流动中的热传递，　通过检测管道内空气与流量传感器之间的热量交换　关系来测量空气流量［１］。它具有压损小、量程比宽、　的负反馈改变电桥中的电流以保证测速探头与测温　探头的温度差恒定。通过增大测速探头的电流以对　精度高、重复性好和可靠性高等优点，可用于测量温　度极低气体流量。因此。它被广泛应用于航空航天、　能源、医疗和汽车工业等［２】。　本文设计了一种基于恒温差的热式空气流量计。　其进行加热，使之与流经管道的空气产生热交换，由　于换热量与质量流量成正比。故可以测得空气的流　速。测温探头则用于测量管道空气环境温度，以实现　环境温度补偿。　热式空气流量计采用恒温差惠斯登桥式模块测　量空气的流速。其原理如图１所示。　其中，风是测速铂电阻，　为测温铂电阻，　和　Ｒ　为串联Ｒ　的基准电阻，Ｒ。为串联Ｒ。的基准电阻，　电阻用来稳定电路，　电阻使电路上电瞬间能够　正常工作。　该传感器将２个铂膜电阻集成在陶瓷基片上，通过铂　膜电阻被气体带走的热量变化来测量气体流量。实　验结果表明，该热式流量计具有响应速度快、测量范　围宽、测量精度高和重复性好等优点。　１工作原理　１．１测量原理　目前．大多数热式空气质量流量计是保持加热元　件表面温度恒定。根据电流的变化来测量空气的流　量，被称为恒温差热式空气质量流量计［３　］。本文设　基金项目：国家自然科学基金项目（６１４７３０８２）　收稿日期：２０１６—０７—２０　热式空气流量计所采用的微型流量传感器置于　空气管道中，当气体流量发生变化时，惠斯登电桥失　去平衡，桥路的不平衡电压经运算放大器反馈到桥　路。改变电桥的电流以实现电功率调节，使电桥重新　达到平衡。根据热力学原理　】，提供给测速铂电阻　的电功率等于空气所带走的热量，即　４２　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ａｎｄ　Ｓｅｎｓｏｒ　Ｊｕｎ．２０１７　圈１恒温差惠斯通桥式模块原理图　ｈ＝ｈＡ（　Ｔｏ）　（１）　式中：，ｈ为通过　的电流；　为表面平均传热系数；Ａ　为测速探头的表面积；Ｔ为测速探头的温度；７＂ｏ为测　温探头所检测到的空气温度，即管道内的空气环境　温度。　，　Ｍ与空气流量ｇ满足如下关系：　Ａ＝后１＋后２√ｇ　（２）　式中：ｋ，，ｋ　为常数。　联立式（１）和式（２），得到空气流量ｇ与测速探头　电流，ｈ的关系式为　９＝［丢ｃ訾一　㈤　式中ＡＴ＝　Ｔｏ。　由式（３）可知，通过恒温差惠斯登桥式模块保持　测速电阻与测温电阻的温差△　不变，从而利用　计　算出空气流量　１．２传感器结构　热式空气流量计主要由微型流量传感器组成，具　有响应速度快的优点。可以保持较高的测量精度。微　型流量传感器内集成测速铂电阻和测温铂电阻，其中　测温铂电阻选用Ｐｔｌ２００。测速铂电阻选用Ｐｔ４５。微型　流量传感器结构示意图如图２所示。　二　三三　圈２微型流量传感器结构示意图　２总体结构设计　根据上述空气流量测量的原理，设计了热式空气　流量计。它的总体结构图如图３所示，包括恒温差惠　斯登桥式模块、电压跟随模块、Ａ／Ｄ转换模块、单片机　模块、Ｄ／Ａ转换模块以及ＶＩ模块。　图３总体结构图　恒温差惠斯登桥式模块用于检测空气流量信号，并　对空气环境温度进行补偿；电压跟随模块用于降低输出　阻抗：Ａ／Ｄ转换模块用于对恒温差惠斯登桥式模块的　电压信号进行采样；单片机模块主要用于对Ａ／Ｄ转换　模块输出的信号进行滤波和运算处理，其内部有看门狗　电路，可对系统进行保护；Ｄ／Ａ转换模块将单片机模块　输出的数字信号转换为模拟信号；ＶＩ模块将Ｄ／Ａ转换　模块输出的电压信号转换为电流信号，方便传输。　３实验数据分析　３．１曲线拟合　根据热式空气流量计的工作原理，设计标准流量　发生装置。对空气流量进行标定。标准流量发生装置　采用空气压缩机作为风源．通过管道连接标准流量计　和所设计的流量计，其装置如图４所示。　流量计　标准　流量计　设计　图４标准流量发生装置　实验通过控制阀门的开度，以控制空气流过管道　的速度，采用标准流量计作为测量空气流速的标准，　获取测量流速的数据，实验测试结果如表１所示。　表１实验测试结果　最小二乘法曲线拟合具有各测量点误差平方和　最小的优点，也不要求节点等距，而且表达式唯一，易　于计算，适合于工程应用［　。采用多项式最小二乘法　拟合曲线，建立空气流速与输出电压的曲线关系，如　第６期　汪余景等：基于恒温差的热式空气流量计设计　４３　图５所示。　●　０　鲁　图６　ＶＩ模块的输入输出特性曲线　４结束语　图５空气流速与输出电压的曲线关系　与传统的流量计相比。设计的基于恒温差的热式　对表１的实验测试数据进行最小二乘法四次多项　空气流量计能有效地减少环境温度对流量测量的影　式拟合。建立空气流速与输出电压的数学模型：　响，提高了测量精度，其硬件电路实现更为简单。采　Ｑ　＝０．０３２　４５／］４＋０．００９　５２Ｕ３－１．３７７　９５Ｕ２＋　用微型流量传感器并结合惠斯登反馈桥式电路，提高　６．５４０　９３Ｕ一９．４０６　２２　（４）　了热式流量计的响应速度。　式中：Ｑ　为空气流速，ｍ／ｓ；Ｕ为恒温差惠斯通桥式模　参考文献：　块的输出电压，Ｖ。　［１］裘越，杜之平，黄震威，等．热式流量计组合铂膜探头特性　从表１的数据可以看出．流速与电压具有较好一　研究［Ｊ］．自动化仪表，２０１０，３１（８）：３３－３５．　［２］ＤＵＲＳＴ　Ｆ，Ａ１一ＳＡＬＡＹＭＥＨ　Ａ，ＢＲＡＤＳＨＡＷ　Ｐ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｅ　一对应的关系，因此可以通过电压测量管道内的空气　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａ　ｐｕｌｓｅｄ—ｗｉｒｅ　ｐｒｏｂｅ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｎ‘ｎｇ　ｆｌｏｗ　ｖｅ—　流速。标定的流量变送器的相对误差在１％以内，表　ｌｏｃｉｔｙ　ｗｉｔｈ　ａ　ｗｉｄｅ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ［Ｊ］．Ｉｔｎｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　明该流量计测量精度高。　Ｈｅａｔ＆Ｆｌｕｉｄ　Ｆｌｏｗ，２００３，２４（１）：１—１３．　３．２单片机数据处理　［３］　梁国伟，赵伟国，朱家顺，等．基于组合铂膜探头的气体流　Ａ／Ｄ转换模块采样恒温差惠斯登桥式模块的输　量计实验研究与数据处理［Ｃ］．全国流量计量学术交流　出电压。单片机模块根据拟合的四次多项式的数学模　会，２００８．　型，建立输出电压与流速的关系。标定流速后，将流　［４］龙云芳．工业用热式气体质量流量计的研制［Ｄ］．武汉：华　速通过Ｄ／Ａ转换模块输出．由于需要输出４～２０　ｍＡ　中科技大学。２０１２．　电流，需进行ＶＩ转换，此时流速与电流呈现一一对应　［５］盛森芝，庄永基，刘宗彦．一种新型热线热膜流速计［Ｊ］．　的线性关系。本文测试了ＶＩ模块的输入输出特性，　实验流体力学，２００９，２３（１）：８９－９３．　因输出为电流信号，设置２００　Ｑ采样电阻进行测试。　作者简介：汪余景（１９９２一），硕士研究生，主要研究方向为机电　系统。Ｅ—ｍａｉｌ：ｗａｎｇｙｕｊｉｎｇ２４＠１６３．ｔｏｍ　ＶＩ模块的输入输出特性曲线如图６所示。’由图６测　翟军勇（１９７７一），教授，博士生导师，主要研究方向　试结果表明，ＶＩ模块具有良好的线性度，验证了电流　为非线性系统的分析与综合。　与流速线性相关，完全满足工业流量计的设计要求。　Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｙｚｈａｉ＠ｓｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ　（上接第４０页）．　［Ｊ］．现代电子技术２００８（７）：８９－９５．　［３］　张龙，冯全源，．一种带曲率补偿的低温漂低功耗带隙　［７］　曹寒梅，杨银堂，蔡伟，等．基于负反馈箝位技术的高性能　基准源设计［Ｊ］．电子元件与材料，２０１５，３４（２）：６２—６５．　ＣＭＯＳ带隙基准源［Ｊ］．电子与信息学报，２００８，３０（６）：　［４］　ＷＩＤＬＡＲ　Ｒ　Ｊ．Ｎｅｗ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ　ｉｎ　ＩＣ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｒｅｇｕｌａｔｏｒｓ　１５１７－１５２０．　［Ｊ］．Ｊ　Ｓｏｌ　Ｓｔａ　Ｃｉｒｅ，１９７１．　［８］齐领，恩云飞，章晓文．ＭＯＳＦＥＴ迁移率随温度变化关系　研究［ｃ］．广州：中国电子学会第十四届青年学术年　［５］ＸＩＡＯ　Ｄ，ＬＩ　Ｗ　Ｍ，ＺＨＵ　Ｘ　Ｆ，ｅｔ　ａ１．Ａ　Ｃｕｒｖａｔｕｒｅ－ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ　会。２００８．　Ｂａｎｄｇａｐ　Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｉｗｔｈ　Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ＰＳＲＲ［Ｃ］．ＩＥＥＥ　Ｉｎｔｅｍａ－　作者简介：尹勇生（１９７３一），博士，教授，研究员，硕士研究生导　ｔｉｏｎａｌ　Ｗｏｒｋｓｈｏｐ　Ｏｎ　ＶＬＳＩ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｖｉｄｅｏ　Ｔｅｃｈ．Ｓｈａｎｇｈａｉ：　师．研究方向为超大规模集成电路设计、可重构计算　ＩＥＥＥ，２００５：５４８—５５１．　技术、数模混合电路设计。　［６］　刘宏，尹勇生，邓红辉．高性能带隙基准源的分析与设计　Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｉｎｙｏｎｇｓｈｅｎｇ＠ｈｆｕｔ．ｅｄｕ．ｅｎ