基于组合铂膜探头的热式气体流量计流量检测实验 涡街流量计

基于组合铂膜探头的热式气体流量计流量检测实验，目前气体流量检测使用仪表一般有涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、差压式流量计和容积式流量计等。这些仪表虽能满足一般的工业应用，但仍存在许多不足。热式流量计在专线风速仪的基础上发展起来，一般用来测量气体的质量流量。具有压损低；测量范围度大；无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点。在气体流量检测领域已得到一定的应用。

早期的热式流量计也有用专线（一般是直径为3～20μm的铂丝）作探头的，但由于结构上的原因，专线置于气流中，比较容易损坏。热膜探头就是因为能够克服专线探头容易损坏的缺点得到广泛应用的。目前使用的热膜探头一般都是在微小的陶瓷基片上沉积金属铂形成的铂膜探头[7～9]具有结构牢固、反应灵敏、一致性好等特点。
组合铂膜探头将多个电阻集成在同一陶瓷基片上，是目前比较新颖的热式流量探头。一般在同一陶瓷基片上集成两个铂膜电阻，一个作加热使用，一个作补偿使用。两个电阻或独立引线（4线），或接成公共端引线（3线）。3线组合铂膜探头的外形见图1，探头内部结构如图2所示。
从内部结构可以看到，该探头是将加热电阻和补偿电阻串联集成在一片底层陶瓷基片上，基片厚度仅为0.15mm，两个电阻由三条低阻导线引出，探头尺寸为7mm×2.4mm。传感元件包括两个固定于底层基片的随温度变化的铂膜电阻和一个公共端，其中低阻值电阻的一块小区域用作加热电阻RH，在0℃时，探头电阻为45Ω（±0.5%）；而另外一个高阻值电阻用作补偿电阻RS，在0℃时，探头电阻为1200Ω（±0.5%）。因为它的热容量低，传感器有较快的加热和冷却的反应时间。
2 组合热膜探头检测电路
组合铂膜探头的流量检测电路如图3所示。主要包括温度补偿电路和信号放大两部分，其中温度补偿桥路*建立在探头散热特性的基础上进行设计，在整个检测电路中具有很重要的作用。探头散热特性试验和补偿设计原则与单热膜探头类似[7～8]。不同点是组合铂膜探头的补偿电阻与加热电阻在同一陶瓷基片上，所以，加热电阻的热量必定会影响补偿电阻感受介质温度。为了消除这种影响，可以在探头散热特性试验时预先检测加热探头在不同环境温度下对补偿探头测温的影响，并在补偿桥路设计时加以扣除。
加热探头RH和补偿探头RC都安装在流通管道中，两个探头与固定电阻R1和R2组成测量桥路。管道中气流静止时，根据加热探头的散热特性设计的桥路参数将使通过加热探头RH的电流IH维持在某一静态电流以维持探头温度TH。当气流通过管道时，探头温度TH有下降的趋势，这一趋势通过反馈能及时增加探头电流IH来维持探头原有的温度TH，这就是恒温工作方式。
可以证明，通过加热探头的电流IH与质量流速ρv之间有式（1）所示的关系[10]。
当探头工作在恒温方式时，专线和被测气体的温度差（TH−TC）保持一定，RH应为常数，供给专线的电流IH就是空气质量流量的衡量尺度。信号电流IH的平方与质量流量的qm平方根成正比。电流IH在R1上的压降V作为流量信号，通过放大处理输出，与质量流量qm之间的关系应为四次多项式曲线关系。
式（1）表明，所谓恒温工作方式是指介质温度TC不变时，不管气流速度v如何变化，都能保持探头温差（TH−TC）不变，所以探头电阻RH也为常数；当介质温度TC变化时，探头温度TH也随之变化，探头温差（TH−TC）也不恒定。因为从图3的原理图可以知道，任何介质温度下，桥路平衡时，RH/R1=RC/R2，由于R1、R2是固定的精密电阻，所以，任何介质温度下，则RH与RC的比值应为常数。如果用TH表示专线温度，用TC表示介质温度，则
展开式（2），并在等式两边同时加上αRH1RH2，
整理后可得
这就从理论上可以证明了式（1）中的比值（TH−TC）/RH依然保持常数，所以从式（1）可知，信号电流IH仍然是空气质量流量的单元函数。这样的探头性能正是图3所示的测量桥路中补偿电阻RC测量介质温度进行补偿的结果。
3 流量检测实验
根据上述流量检测电路，设计了DN25的组合铂膜探头气体流量传感器，流量传感器的探头安装结构如图4所示。在2000升钟罩检测装置上对流量传感器进行了多次检测实验，取3组实验结果数据（表1）进行分析，三组实验数据中第1组和第2组在同**测量，将流量传感器安装在钟罩装置上检测完第1组数据后，将传感器卸下，又重新安装回钟罩装置检测第2组，第3组是**天的检测数据。
从表1看出，多次检测试验有很高的一致性能。
4 数据处理与曲线拟合
在微小流量时具有较高的灵敏度，能测量极低流速，这是热式气体流量计的突出优点。随着流量的增加，灵敏度逐渐下降，U-q特性曲线反映了流量计传感部分输入输出的非线性特性[10～11]。该特性曲线确定的函数为U=f（q）。
由于特性曲线的实验检测点数据有限，而且不可避免地存在一定的随机误差。如何把这些离散的实验点连成一条光滑的曲线，并得到能**而又尽可能简洁地描述该曲线的函数式，成了流量传感器数据处理的关键之一。线性插值不足以满足精度要求；而拉格朗日插值、牛顿插值、节点光滑可导的埃尔米特插值等多项式插值法都存在分段多、表达式繁、计算量大等缺点，使用不便。*小二乘法曲线拟合具有各测量点误差平方和*小的优点，也不要求节点等距，而且表达式，易于计算，适合于工程应用[13～15]。由于流量数据处理时要把电压信号送给单片机进行A/D转换，从而得到与被测物理量相对应的数字显示。所以，我们需要的是流量对应信号电压的函数q=F（U），而且，实验表明函数q=F（U）更容易用多项式来进行拟合处理。
选取表1中**组数据，以多项式{x0，x1，…，xm}为基进行多项式*小二乘曲线拟合。取m=3和m＝4进行拟合，其结果如表2所示：
从表2看到3阶和4阶的个别点拟合误差较大，尚不能满足流量检测的精度要求。但如果增大拟合次数，其系数矩阵不易于计算，更难在单片机中实现。因此，选取正交多项式为基作*小二乘拟合。设测得的实验点数据为（x0，f0），（x1，f1），…（xn，fn），各点的权重为1，选取的正交多项式簇为{φ0（x），φ1（x），…，φm（x）}，由于基函数两两正交，即
所以其系数矩阵变为对角阵而大大简化，不需要解矩阵方程就可直接求解。
这里m的大小可以预先给定或者在计算过程中根据误差大小进行调整[10]。用正交多项式进行数据拟合，按上述方法对同一实验数据进行6阶和7阶正交多项式拟合，计算得到的系数如表3所示。
当拟合次数增加一次时，程序中循环次数加1，其余不用改变，这是目前用多项式作曲线拟合较好的计算方法。
拟合多项式可根据递推式（6）和式（7）求得，拟合结果如表4所示：
从表4可以看出，正交多项式拟合能很好地拟合高次曲线，拟合误差明显减小，且系数矩阵易于计算。理论上当拟合曲线的次数进一步增大时，拟合精度可进一步提高，甚至拟合曲线能**通过各个实验点。但高次拟合曲线易产生局部振荡，因此，m的取值也不不是越高越好，而应根据实际情况确定。
5、结论
本文所研究的组合铂膜探头气体流量传感器，在工作电流为30mA左右时，探头环境温差已有100多度，具有较高的灵敏度。该工作电流不到一般20Ω铂膜电阻工作电流的一半，从而使探头更不容易损坏。
试验表明，该气体流量传感器测量范围大，一致性好，响应速度高。经钟罩气体流量装置实验检测，6阶拟合误差小于±0.6%，测量范围达100：1，可以用于管道气体流量的测量。