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热膜式气体质量流量计|工作原理|结构详解


文章日期:2018-06-20|阅读数:


摘要:介绍能够测定空气质量流量,且可自动补偿温度及压力变化对空气流量影响,测量精度高的热膜式气体质量流量计的原理、构造和性能。这种流量计可以满足各种发动机进气流量测量,特别是排放测试的需要。

1、概述:随着发动机排放法规的要求越来越严格,发动机排放测试成为关键的问题。一般来说,发动机气体排放分析仪所测量的都是气体浓度值,而为了客观衡量不同排量发动机的排放量,排放法规中规定的测量结果都是以质量为单位。所以为了将浓度值转化成质量值,需要确定发动机进气质量流量。进气流量加上油耗量即是排气量。
  空气流量测量方法多种多样,主要有进口双扭流量计、进口层流流量计、节流孔板流量计、涡轮流量计、涡街流量计等。以上流量计所使用的方法各不相同,但所测量的直接结果都是体积流量。为了获得质量流量,在测量体积流量的同时需测出温度和压力,以求出空气的密度,从而得到质量流量。
  在发动机进气流量的测量中,还有一定的特殊性,主要表现在两个方面:
a. 测量传感器的阻力要求尽量小;
b. 流量测量范围尽量广。

  热膜式空气质量流量传感器是根据传热学原理设计的。与其他类型直接式空气流量传感器相比,它***重要的优点是能够测定空气质量流量。而前述的几种空气流量传感器都只能测定空气体积流量。
 另外,本文所设计的热膜式质量流量计对进气过程不产生阻力,而且流量范围广、误差小。

2、热膜式质量流量计原理:
  热膜式空气质量流量传感器是在热线式空气质量流量传感器的基础上发展起来的,两者原理相同。其传感元件是一根极细的高温度系数的金属电阻丝。金属电阻丝通电发热,故称热线。空气流过时,从热线上带走热量。在环境空气摄氏温度保持恒定的情况下,热线的热平衡取决于三个因素,即气流、电流和热线温度。为了建立热线的热平衡,有两种方案:一种是恒电流方案,气流改变时热线温度相应地改变,使得散失的热量不变;另一种是恒电阻方案,即恒温度方案,气流改变时电流相应地改变,使得散失的热量也改变。
 因为恒电流方案的热膜式空气质量流量传感器受电阻加热时间常数的影响,由此会引起响应滞后,所以采取恒电阻方案。热线的电阻由温度决定,所以恒电阻要求热线恒温度。在空气温度已定的情况下,若热线恒温度,则热线与空气恒温度差。
  热膜式空气质量流量传感器电路是一个电桥,见图 1。

图1  热线和热膜式空气质量流量传感器电路原理
图1  热线和热膜式空气质量流量传感器电路原理
RK-温度补偿电阻  RH-加热电阻  R1、R2、R3-电桥电阻  RS-膜电阻  UM-测量电压  IH-加热电流  IL-空气温度
  RS是膜电阻,它只是传感元件,传感元件的加热另由加热元件 RH完成。RS安置在气流中,其特点是:
  a. 正温度系数,电阻随温度升高而增大,且数值很高;b. 电路设计成电功率主要消耗在 RS(或 RH)上,所以 RS温度 tS高于环境空气温度 t∝。RK为空气温度补偿电阻,用于补偿环境空气温度对测试结果的影响。RK也安置在气流中,它的特点是:a. 正温度系数;b. 正温度系数值很高;c.  因为 RK、R1和 R2之和很大,电流很小,所以RK所消耗的电功率极低,RK的温度等于环境空气温度t∝。RM为测量电阻。RM两端的电压可作为信号电压输出。R1和 R2为可调电阻。RM、R1和 R2的温度系数很低,其阻值可看作常数。满足下式时电桥达到平衡:RS·R2=RM·(RK+R1)                (1)
  这个电路有自动趋于平衡的趋势,即 M 点与 N点之间的电位差自动趋于零。
  伴随着电桥的平衡,还发生一个传感电阻RS热平衡过程。在环境空气温度 t∝保持恒定的情况下,假定在某一气流流量下电桥达到平衡,则RS阻值必然稳定,其温度tS也必然稳定,电流在RS上产生的热量必然和气流从RS带走的热量相平衡。电桥的电平衡和RS的热平衡必须同时建立,两种平衡相互依存。
  一种平衡被打破,必然导致另一种平衡也要被打破。如果现在气流增强,则气流从RS带走的热量增多,热平衡被打破,RS的温度tS下降,使RS阻值下降,但 RM阻值不变,因此 RS和 RM的电压降之比相应地改变,即 RS电压降减小,点 M 的电位升高。接下去发生的过程是,点 M 和点 N 的电位差经运算放大器放大后使电桥供电电压增大,RS电流增大,tS回升,一直升到气流增强之前的温度,RS阻值也恢复到原先的水平。
  在这一过程中,其他各电阻的阻值均未改变,所以此时电桥恢复平衡。同时,RS也建立了新的热平衡。与气流增强以前不同的是,US提高了,RS和 RM上的电流增大了,UM随之增大。所以,UB和 UM均可反映出气流流量的变化(见图 2)。
图2  热膜式空气质量流量传感器的输出电压特性UB-电压输出   ma-空气流量
图2  热膜式空气质量流量传感器的输出电压特性UB-电压输出   ma-空气流量
  顺便指出,在 t∝保持恒定的情况下,电桥恢复平衡后,(tS- t∝)将与气流增强前的保持相同: tS-t∝=const  如果 t∝变动,则 RK的温度跟着变动。此时只有在 RK的温度系数很低的情况下,式(2)才成立。否则,RK的阻值随 t∝变动,(tS- t∝)就不能保持恒定 。    实际上RK设计成具有很高的正温度系数。正是利用这一点,可以实现温度补偿。

3、热膜式质量流量计构造:
   如图 3 所示,热膜式质量流量计主要由以下部分组成:
   管道体要求壁面光滑,本设计采用不生锈部件,也可采用塑料件等。根据被测气体流量范围不同,管道内径也不同;
   热膜传感器组件  其作用在第 2节中已作详细论 述 ;    测量通道  气体流过的通道;    整流部件  由于热膜式流量计要求流道内气流稳定,以保证测量精度,所以一般采用整流部件,该部件采用厚度 0.2mm、边长 5mm 的六边形铝网制成,其深度100mm;    信号传送插座  热膜式质量流量计采用 0~5V电压及 4~20m A 信号输出,同时需 24VDC 供电;    智能电子处理器  是热膜式质量流量计的中心处理单元,对与流量测量有关的各种信号进行综合处理,并将流量变成标准输出信号。
图3  热膜式质量流量计构造图1- 管道体(不锈钢制)  2- 热膜传感器组件  3-测量通道4-整流部件  5-信号传送插座  6-智能电子处理器

图3  热膜式质量流量计构造图1- 管道体(不锈钢制)  2- 热膜传感器组件  3-测量通道4-整流部件  5-信号传送插座  6-智能电子处理器

4、热膜式质量流量计性能:
   本文所设计的热膜式气体质量流量计是一种智能型仪器。该仪器对小流量敏感、响应时间短、量程范围宽,适用于各种气体流量的测量。使用专用的软件,通过RS-232接口或电子板上的三个按钮可对传感器组态。通过选择不同的探杆长度,流量计可用于DN50至DN1200管道。
   下面给出该热膜式质量流量计的性能参数。

4.1、量程:
   流速测量范围0~94m/s    管道直径DN50~DN1200    流量测量范围0~350 000Nm3/h    温度变化范围±25℃,压力变化范围±3.5bar    精度 1.0%
4.2、双量程或对两种气体标定(选项)  :
 通过程序设定,并通过外接选择开关,选择两种设定的一种。
4.3、量程调整:
   通过现场组态可在50%至100%设定量程范围内调整量程。
4.4、修正 K 系数:
   K系数是一个应用于线性流量信号上的乘数因子,对不同的流体及应用场所,可通过改变标定系数来平衡误差。
4.5、双输出信号:
   热膜式气体质量流量计可输出两路线性信号,0~5VDC(0~10VDC 选项)和 4~20m A。
4.6 、智能软件:
   质量流量计智能软件可通过带RS-232接口的电缆直接将仪表与电脑连接,并通过操作程序对仪表组态 。

5、结论:
   本热膜式质量流量计设计满足了各类发动机需要,流量测量精度高,特别适用于要求排放测量的场合。


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