微型空氣流量計(jì)

質(zhì)量流量控制器傳感器采用微機(jī)械加工技術(shù)，實(shí)現(xiàn)微小流量測(cè)量，其特點(diǎn)是可靠性高、重復(fù)性好，壓損小，無(wú)可動(dòng)部件，量程比寬，響應(yīng)時(shí)間較快，測(cè)量精度高，無(wú)需要溫度壓力補(bǔ)償，廣泛應(yīng)用于輕工化工環(huán)保及半導(dǎo)體等工業(yè)部門(mén)的空氣、氧氣、氬氣、氮?dú)獾葰怏w的檢測(cè)和控制。

工作原理：

感熱式芯片技術(shù)是采用大規(guī)模集成電阻的工作，在芯片上，一個(gè)微熱源及分別處于微熱源上下游的溫度傳感器集成在采用MEMS的*工藝制作的鏤空橋面上，采用這這樣的橋式方式制作有利于熱傳導(dǎo)，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間大大提高，當(dāng)傳感器工作時(shí)，微熱源與環(huán)境溫度之間保持一定的溫差（通常是70℃），在芯片周圍形成固定的溫度場(chǎng)分布，如果氣體是單向流動(dòng)，則在氣道中溫度場(chǎng)可用下述公式來(lái)計(jì)算:

式中：氣體流動(dòng)方向?yàn)椋?，速度為ｖ，ａ為擴(kuò)散率。如上圖（式）所示，當(dāng)氣體流過(guò)芯片時(shí)，將會(huì)帶走熱量，通過(guò)質(zhì)量流量qm和電壓V的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)計(jì)算流體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品特點(diǎn)：

·產(chǎn)品集成度高，集瞬間流量顯示、累計(jì)流量顯示和信號(hào)輸出一體，并可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制閥門(mén)

·微流量感熱式傳感器采用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)技術(shù)和材料加工技術(shù)，使流量計(jì)的微流量測(cè)量靈敏度顯著提升

·微小流量氣體測(cè)量，ml/min級(jí)的微流量測(cè)控，實(shí)現(xiàn)微小流量測(cè)量的數(shù)字化

·單個(gè)芯片的流量特性的微處理技術(shù)，使流量計(jì)的量程范圍大大提高

·機(jī)電一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使流量計(jì)具有更好的重復(fù)性，實(shí)現(xiàn)了計(jì)量的準(zhǔn)確、可靠

·結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，流量計(jì)的壓力損失達(dá)到*小化

·新的傳感技術(shù)，使流量計(jì)工作更穩(wěn)定、可靠

·零點(diǎn)自校功能，測(cè)量更準(zhǔn)確

·多種氣體實(shí)際標(biāo)定，全量程補(bǔ)償

·快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)，配合上位機(jī)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中管理

·規(guī)格齊全，量程范圍寬，可根據(jù)用戶要求單獨(dú)標(biāo)定

·精度等級(jí)高，滿足用戶高精度測(cè)量要求

·的流量計(jì)報(bào)警功能，使監(jiān)控更可靠

·操作、設(shè)置界面友好、簡(jiǎn)便，可根據(jù)需要自行設(shè)定相關(guān)參數(shù)

·運(yùn)用行業(yè)多，是科研院所、分析儀表行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、光伏行業(yè)、玻璃鍍膜、石油化工行業(yè)微小氣體流量控制產(chǎn)品升級(jí)換代的優(yōu)選

技術(shù)參數(shù)：

·測(cè)量介質(zhì)：各種氣體（乙炔氣和混合氣體除外）

·測(cè)量管徑：DN3，6，8，10，12

·流量范圍：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100，200，300，500SLPM

·流量測(cè)量準(zhǔn)確度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作溫度范圍：-25℃-55℃

·工作壓力范圍：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供電電源：24VDC±10%；

·輸出信號(hào)：4-20mA，RS485通訊；

·環(huán)境溫度：-25℃-55℃

·顯示位數(shù)：瞬時(shí)流量為三位，累積流量10位。

外觀尺寸：

基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體流量計(jì)：

針對(duì)傳統(tǒng)熱式流量計(jì)測(cè)量微小流量精度不高的問(wèn)題, 基于對(duì)流換熱原理, 采用2個(gè)參數(shù)一致的鉑熱電阻獲取流量信號(hào)的方法, 研制了一種雙速度探頭熱式流量計(jì)。分析了流量測(cè)量原理以及環(huán)境溫度補(bǔ)償, 簡(jiǎn)述了鉑熱電阻加工工藝, 擬合建立了流量測(cè)量函數(shù)關(guān)系式。流量計(jì)在音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小流量的測(cè)量。

華陸品牌熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)為直接式質(zhì)量流量計(jì), 具有測(cè)量范圍寬、壓損小、適用于各種管道、過(guò)載無(wú)損害和適用中低流量測(cè)量等諸多優(yōu)點(diǎn), 得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前, 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的研究主要集中在4個(gè)方面:傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、補(bǔ)償方法的研究、信號(hào)處理算法的研究、復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。傳統(tǒng)的熱式質(zhì)量流量計(jì)采用2個(gè)探頭, 一個(gè)溫度探頭, 多選用鉑熱電阻Pt1000, 用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度;一個(gè)速度探頭, 多選用Pt20, 用來(lái)測(cè)量氣體流速。其測(cè)量方法大多基于恒溫差和恒流兩種方法。恒溫差型流量計(jì)一般采用惠斯登電橋與運(yùn)算放大器結(jié)合來(lái)維持溫差恒定, 實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償, 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)就會(huì)影響電橋平衡, 表現(xiàn)為零點(diǎn)不穩(wěn)和小流量精度無(wú)法保證。另外, 由于溫度補(bǔ)償電阻的非線性以及電阻之間的差異, 導(dǎo)致電路調(diào)試過(guò)程比較復(fù)雜, 在一定程度上影響了測(cè)量的精度。恒流型流量計(jì)是對(duì)速度探頭通以恒定的電流加熱, 小流量時(shí)有較大的功率, 速度探頭和溫度探頭之間的自然對(duì)流換熱不能忽略, 無(wú)法保證微小流量的測(cè)量精度。恒流式流量計(jì)的另一個(gè)弊端是本身沒(méi)有溫度補(bǔ)償, 文獻(xiàn)[6]給出了恒流型流量計(jì)多項(xiàng)式擬合溫度補(bǔ)償算法, 但其是通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)得到, 僅對(duì)文獻(xiàn)給出的電阻絲適用, 不具有普適性。

針對(duì)上述問(wèn)題, 要使得環(huán)境溫度變化不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果, 自然對(duì)流換熱不可存在, 在保證精度的前提下不涉及復(fù)雜的控制電路和算法, 且需要提高響應(yīng)速度, 本文提出一種基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)并給出測(cè)量方法。

1 測(cè)量原理以及溫度補(bǔ)償

當(dāng)速度探頭被置于流體管道中, 在流態(tài)穩(wěn)定時(shí), 探頭與周圍介質(zhì)處于近似的熱平衡狀態(tài)。按照傳熱學(xué)封閉系統(tǒng)考慮, 此時(shí)的系統(tǒng)熱平衡方程

P=Q₁+Q₂+Q₃ (1)

式中:P為電流對(duì)速度探頭的加熱功率;Q₁為速度探頭與流體間的對(duì)流換熱;Q₂為速度探頭向測(cè)量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱;Q₃為速度探頭向周圍輻射的熱量。

實(shí)際應(yīng)用中, 在誤差允許范圍內(nèi), Q₂、Q₃一般忽略, 對(duì)流換熱Q₁起主導(dǎo)作用, 結(jié)合熱消散效應(yīng)的金氏定律, 電路提供給速度探頭的電功率等于管道內(nèi)氣體對(duì)流所帶走的熱量, 其表達(dá)式為

P=Q₁=I²_WR_W=hA (T_W-T_C) (2)

式中:I_W為電路供給速度探頭的加熱電流;R_W為速度探頭自身的電阻;h為對(duì)流換熱系數(shù);A為速度探頭的散熱表面積;T_W為速度探頭自身的表面溫度;T_C為氣體的溫度。

本研究采用2個(gè)參數(shù)一致的Pt20鉑熱電阻, 其測(cè)量模型簡(jiǎn)化如圖1所示。

當(dāng)鉑熱電阻1工作在任意溫度點(diǎn)T_W1時(shí), 有:

I²_W1R_W1=hA (T_W1-T_C) (3)

當(dāng)鉑熱電阻2工作在任意溫度點(diǎn)T_W2時(shí), 有:

I²_W2R_W2=hA (T_W2-T_C) (4)

其中hA與空氣流量q_m滿足如下關(guān)系^[8]:

hA=B+Cq m ? ? √ hA=B+Cqm(5)

由式 (3) -式 (5) 可得:

q m =[I 2 W1 R W1 ?I 2 W2 R W2 C(T W1 ?T W2 ) ?BC ] 2 qm=[ΙW12RW1-ΙW22RW2C(ΤW1-ΤW2)-BC]2(6)

式中:I_W1和I_W2分別為流過(guò)2個(gè)鉑熱電阻的電流, 為定值;R_W1和R_W2分別為鉑熱電阻工作在溫度為T_W1和T_W2時(shí)的電阻, R_W可直接通過(guò)U_W/I_W計(jì)算得出, R_W與T_W的近似關(guān)系由式 (7) 給出; B、C為經(jīng)驗(yàn)常數(shù), 可由實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得出。

R_W=R_W0 (1+aT_W+bT²_W) (7)

式中:R_W0為鉑熱電阻在0 ℃時(shí)的電阻;a和b為鉑熱電阻的溫度系數(shù)^[9]。

由此便建立了質(zhì)量流量q_m與2個(gè)鉑熱電阻電壓U_W1、U_W2的關(guān)系。同時(shí), 通過(guò)對(duì)上式理論分析可以得出, 大氣溫度T_C的變化對(duì)于流量測(cè)量結(jié)果沒(méi)有任何影響, 即溫度補(bǔ)償更為合理。

2 速度探頭加工工藝以及加熱電流的確定

華陸品牌熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)速度探頭采用鉑熱電阻Pt20, Pt20元件不宜暴露在氣體中直接使用, 需要對(duì)元件進(jìn)行封裝, Pt20元件的不同封裝工藝會(huì)對(duì)流量測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。在實(shí)際應(yīng)用中, 由于流量計(jì)大小限制, 2個(gè)探頭安裝距離不可能過(guò)遠(yuǎn), 在微小流量下, 因2個(gè)探頭加熱電流的不同, 存在因溫度不同而產(chǎn)生的自然對(duì)流換熱, 為消除自然對(duì)流換熱產(chǎn)生的影響, 需要滿足以下公式:

gβ(T W1 ?T W2 )L 3 V 2 ?V 2 (ud) 2 ≤0.3 gβ(ΤW1-ΤW2)L3V2-V2(ud)2≤0.3(8)

式中:β為體脹系數(shù), 1/K;g為重力加速度, m/s²;V為運(yùn)動(dòng)黏度, m²/s;L為探頭加熱段長(zhǎng)度, m;u為流體速度, m/s;d為探頭直徑, m。

一般取定T= (T_W1+T_W2) /2為定性溫度, 取體脹系數(shù)β=1/T, 式 (8) 可變化為式 (9) :

Ld 20(T W1 ?T W2 )Lg3(T W1 +T W2 ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? √ ≤u Ld20(ΤW1-ΤW2)Lg3(ΤW1+ΤW2)≤u(9)

DN30管徑下, 流速u為0.2 m/s時(shí), 綜合考慮探頭長(zhǎng)度、直徑、加熱溫度等因素, 將Pt20元件封裝為3 mm×10 mm, 在管道豎直插入, 且通過(guò)多組實(shí)驗(yàn)分析得出, 當(dāng)一個(gè)探頭加熱電流為80 mA, 二個(gè)探頭加熱電流為75 mA時(shí), 實(shí)驗(yàn)效果相對(duì)較好, 滿足微小流量測(cè)量要求。同時(shí)考慮實(shí)際應(yīng)用時(shí), 希望氣流可以吹2個(gè)探頭的同一面, 減小因2個(gè)探頭安裝位置不平行帶來(lái)的測(cè)量誤差, 加工時(shí)標(biāo)出Pt20的白藍(lán)面, 為減小Pt20鉑熱電阻引線電阻帶來(lái)的測(cè)量誤差, 將其捏成四線制, 實(shí)物圖見(jiàn)圖2。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

3.1 兩恒定加熱電流的實(shí)現(xiàn)

MC1403是2.5 V穩(wěn)壓芯片, OPA547是大電流運(yùn)放, R₃、R₄為精密基準(zhǔn)電阻, 阻值為10 Ω, 由運(yùn)放特性可知, 通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器R₁、R₂即可改變基準(zhǔn)電阻的電壓, 進(jìn)而調(diào)節(jié)加熱電流, 本設(shè)計(jì)要求流過(guò)2個(gè)Pt20的加熱電流值分別為80 mA與75 mA, 即將2個(gè)基準(zhǔn)電阻的電壓值分別調(diào)為0.8 V與0.75 V。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

流量計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。包括恒流模塊、電壓源模塊、傳感器模塊、轉(zhuǎn)換模塊、微控制器和信號(hào)輸出、液晶顯示等外圍模塊, 其中恒流模塊按圖3設(shè)計(jì)。理論上, 質(zhì)量流量q_m是U_W1和U_W2的函數(shù), 為了測(cè)量的準(zhǔn)確性, 對(duì)基準(zhǔn)電阻兩端的電壓U_R3和U_R4也進(jìn)行了采集。采集到的4路電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后獲得氣體的瞬時(shí)質(zhì)量流量, 同時(shí)對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行了累加。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案, 根據(jù)HLMFM06熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的各功能模塊將軟件劃分為若干子程序, 由主程序調(diào)用, 軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)研究與分析

4.1 熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)特性曲線

本文研究的基于雙速度探頭的熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)理論上證明是可行的, 但是根據(jù)傳熱學(xué)原理得出的式 (6) , 是涉及2個(gè)變量U_W1和U_W2的非線性公式, 式中B、C為未知常數(shù)。故式 (7) 不能用于終氣體的質(zhì)量流量的計(jì)算。數(shù)據(jù)處理有多種方法, 其中小二乘法曲線擬合具有各測(cè)量點(diǎn)誤差平方和小的優(yōu)點(diǎn), 也不要求節(jié)點(diǎn)等距, 而且表達(dá)式, 易計(jì)算, 適合于工程應(yīng)用^[10]。采用多項(xiàng)式小二乘法擬合曲線, 將終的曲線擬合多項(xiàng)式表示為

q_m (x) =a₀+a₁x+…+a_nxⁿ (10)

式中:變量x為電壓轉(zhuǎn)換系數(shù), W/℃。x=I 2 W1 R W1 ?I 2 W2 R W2 T W1 ?T W2 x=ΙW12RW1-ΙW22RW2ΤW1-ΤW2。

其中, I_W為定值, R_W和T_W的求解方法上文已有描述, 兩者終都可通過(guò)U_W求得。

將HLMFM06流量計(jì)與標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生系統(tǒng)通過(guò)PVC管對(duì)接, 利用標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生系統(tǒng)先給定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)流量并記錄, 在此標(biāo)準(zhǔn)流量下, 記錄被測(cè)氣體通過(guò)流量計(jì)時(shí)測(cè)量電路所輸出的2個(gè)探頭電壓信號(hào)U_W1和U_W2。設(shè)置多個(gè)不同的標(biāo)準(zhǔn)流量, 將得到與之相對(duì)應(yīng)的不同的輸出電壓、, 將電壓轉(zhuǎn)化為變量x之后求出特性曲線的擬合方程q_m (x) , 經(jīng)反復(fù)驗(yàn)證與分析, 通過(guò)四階多項(xiàng)式擬合效果, 擬合誤差小于1%。表1給出2個(gè)鉑熱電阻在特征流量點(diǎn)處的電壓數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果, 圖6給出流量計(jì)特性曲線。

在不同溫度點(diǎn)下, 通過(guò)音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置, 對(duì)流量計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。管道口徑為DN30, 標(biāo)準(zhǔn)流量為0.5～7.5 kg/h時(shí), 對(duì)應(yīng)氣體流速范圍約為0.2～2.3 m/s。按照流量計(jì)特性曲線公式進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合, 給出氣體溫度6.3 ℃和11.6 ℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果, 見(jiàn)表2。4.2 華陸品牌熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的流量實(shí)驗(yàn)與分析

5 結(jié)束語(yǔ)從表2數(shù)據(jù)可知, 在不同環(huán)境溫度下, HLMFM06雙速度探頭熱式流量計(jì)大部分流量點(diǎn)相對(duì)誤差小于2%, 其中中段流量相對(duì)誤差較大, 個(gè)別流量點(diǎn)相對(duì)誤差大于2%小于3%, 且通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相對(duì)誤差變化不大, 說(shuō)明雙速度探頭熱式流量計(jì)穩(wěn)定性及重復(fù)性好, 溫度補(bǔ)償合理。該方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體微小流量的測(cè)量。中段流量測(cè)量相對(duì)誤差較大暫時(shí)未找到原因, 有待進(jìn)一步研究論證。

本文設(shè)計(jì)了基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)。與傳統(tǒng)熱式流量計(jì)相比, 簡(jiǎn)化了測(cè)量電路, 測(cè)量方法不受環(huán)境溫度影響, 使溫度補(bǔ)償更為合理。簡(jiǎn)述了速度探頭加工工藝, 消除了傳統(tǒng)熱式流量計(jì)在微小流量下探頭之間自然對(duì)流換熱的問(wèn)題。在不同環(huán)境溫度下, 流量計(jì)運(yùn)行效果良好。受實(shí)驗(yàn)條件限制, 未對(duì)過(guò)低溫和稍高溫環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn), 今后若有條件, 會(huì)對(duì)其開(kāi)展測(cè)試研究。