摘要：介绍了一种新型的基于组合热膜探头的气体流量积算仪。对该组合热膜探头的温度特性进行了实验研究，设计了具有温度补偿功能的测量电路，给出了用该探头进行气体流量测量的实验数据。结果表明：该组合热膜探头在微小流量测量中具有较高的灵敏度和重复性，测量精度优于1％，测量范围度达100：1。
0、引言
热式流量传感器是基于早期风速计的基础上发展起来的一种新型气体流量传感器，具有压损低、流量范围大、精度高、无可动部件及低流量测量等优点，尤其在发动机的燃油喷射装置上具有明显的优势。但传感器的一致性较差，而且抗污染腐蚀能力差，易损坏，从而限制了它的进一步发展。热膜气体传感器作为式传感器的改进，其敏感元件采用微机械加工技术制成，具有体积小、成本低、稳定性好、度高、功耗低、响应时间短等特点，已得到了一定的应用。但是，在流量测量中需要外部增加温度补偿电路，传感器补偿过程操作繁琐、耗时，而且补偿效果较差，从而导致测量精度有所降低。
针对上述问题，在对各种热膜探头试验研究的基础上，提出了一种基于组合热膜探头的新型气体流量积算仪，其探头结构是将通电加热的热膜电阻与补偿电阻组合在同一陶瓷基片上，形成组合热膜探头。其典型组成如图1所示。

1、气体流量测量原理
基于组合热膜探头气体流量积算仪的物理基础是热传递，根据热平衡原理，电流流过热膜探头所产生的热量应该等于流体流过热膜探头所带走的热量。热膜探头的热耗散主要是由
对流引起的，而对于圆柱形的热膜探头，因对流产生的热传递关系式可以明确地表示。
KingLV对这个关系已进行了详细的研究，因对流引起的热耗散Qc为

式中：T，l，d分别为热膜探头的温度、长度和直径；K为火角指数；To，ρ，c。，ν分别为气流的温度、密度、定压比热和流速。式（1）可改写成：

式中a，b为常数．而热膜探头单位时间内产生的热量为

式中：R为热膜探头；TH为流过热膜探头的电流。当达到热平衡时，有

因此，当热膜探头和空气的温度差（T-To）一定时，为Rh常数，供给热膜探头的电流就是空气质量流量的衡量尺度。
电流，IH在R上的压降U作为流量信号，通过放大处理输出。这种工作方式为恒温方式。恒温型测量电路具有易于使用，频率响应高，低噪声等一系列优点.
2、组合热膜探头的温度特性研究
由于恒温型电路要求在测量的过程中，需要保证热膜探头的工作温度与环境温度的差值恒定，而温度差值的大小与热膜探头的工作电流有关，工作电流越大，温差越大，探头的响应越高，但是探头容易损坏，因此需要研究热膜探头中测量电阻Ru的温度特性，选择合适的工作电流。同时考虑到热式流量传感器的温度补偿。
热膜探头的温度特性实验方案如图2所示，将热膜探头放置在温度可调的恒温箱中，给探头加上一定电流，分别测量电压V1和V2，并计算探头温度。

表1为电流30mA下的实验数据。可以看出，在相同电流供电下，测量电阻的温度与环境温度之间的温差基本不变。在不同的实验条件下可以得到，在20mA工作电流时温差基本为43℃左右，30mA工作电流时温差基本为100℃左右，而40mA工作电流时温差基本为205℃左右。

由于热膜探头工作电流为20mA时，温差较低，探头的灵敏度不高。工作电流40mA时，温差太大，探头容易损坏。工作电流在30mA左右，探头灵敏度较高，而且温差不是太大，探头也不易损坏。因此，选用热膜探头的工作电流为30mA，即温差100℃左右，在恒温工作条件下，探头温度不随气体流速变化，但其静态工作点将随环境温度的变化而变化。通过对组合热膜探头温度特性的了解，将有助于温度补偿的研究和热式流量计的设计。
温度补偿就是要使电路能自动地根据环境温度的变化改变探头的工作温度，以便对相同的气体流量给出与环境温度变化无关的稳定输出。对于式空气流量计来说，常用的温度
补偿方法是利用惠斯登电桥，如图3所示。其中的R为补偿电阻，将其安放在与热膜探头R相同的流场中。通过在不同环境温度下热膜探头热耗散特性试验，确定使输出电压保持基本恒定的电阻风和R，。
补偿电阻设计的依据是热膜探头的温度特性和补偿电阻的电阻温度参数。为了使传感器输出不随环境温度变化，理论上应满足在任何环境温度下：

也就是说，在环境温度变化时，测量桥臂和补偿桥臂上两电阻之比的曲线应该重合。这样就能够实现对环境温度的补偿。
3、电路试验及重复性分析
对于文中研究的组合热膜探头在钟罩式气体检定装置上做了测量流量的实验，并做了重复性的实验和分析来判定该组合热膜探头在气体流速测量中的可行性。实验是用钟罩式气体检定装置来控制流量的，从小到大控制气体流量，这里只取3组具有代表性的实验结果的数据来进行重复性的分析，实验数据如表2所示。

这3组实验数据中，第1组和第2组是在同一天测量的，分别为仪器重装前和重装后的数据，第3组是在第二天测得的数据。
从表2可知：电压与流量之间具有较好的一一对应关系，就可以根据输出的电压来检测流场中的流量。并且在相同的实验条件下，重装前和重装后及不在同一天的情况下，当气体流量相同时，3组实验的输出电压值也基本相同，即3组实验的输出电压重复性较好。这就表明该组合热膜探头测量气体流量是可行的。