如何在有限的空間內(nèi)精確測(cè)量氣流

作者 / Andries Bosma Sensirion氣流/壓差產(chǎn)品經(jīng)理

　　Markus Balke 儒卓力電子(Rutronik)模擬和傳感器高級(jí)營銷經(jīng)理

摘要：本文介紹了兩種測(cè)量氣體的方法——熱測(cè)量法和旁路方案，并就傳感器的選擇給出了相應(yīng)的分析。

引言

　　無論是醫(yī)療設(shè)備還是汽車系統(tǒng)，在氣流測(cè)量方面，精度和成本效益都是最重要的考慮因素。得益于微熱導(dǎo)氣流傳感器，即便在很小的空間內(nèi)也可以同時(shí)兼顧以上兩者。

　　測(cè)量氣流的方法有很多種，其中有些無需氣體和傳感器的接觸，然而這類方法相對(duì)較貴，因此對(duì)很多應(yīng)用來說都不太適合。壓差方法是通過傳感器隔膜來量度由于氣流孔排氣而引起的機(jī)械性差距，以此測(cè)量氣壓下降量，但是由于滯后效應(yīng)和隔膜磨損，這種測(cè)量方法會(huì)導(dǎo)致漂移問題，缺乏零點(diǎn)準(zhǔn)確性。

熱測(cè)量方法

　　因此，基于熱傳導(dǎo)原理的測(cè)量方法開始流行開來。最簡單的一種就是熱線流速計(jì)，采用一種具有溫阻特性的電氣加熱線，以其冷卻速度來測(cè)量氣流大小。而較復(fù)雜的測(cè)量方法是采用加熱元件和至少兩個(gè)溫度傳感器來測(cè)量氣流傳輸?shù)臒崃看笮?見圖1)。這些傳感器元件能夠比傳統(tǒng)的熱線流速計(jì)更為精確地測(cè)量氣流大小，同時(shí)傳感器元件的玻璃覆膜還具有抗腐蝕性。

　　“微熱導(dǎo)氣流傳感器”指的是將傳感器元件集成進(jìn)一個(gè)毫米級(jí)的芯片中。除了微小的尺寸外，另外一個(gè)決定性優(yōu)勢(shì)在于它們可以使用標(biāo)準(zhǔn)制造工藝，因此可以大批量生產(chǎn)，不但質(zhì)量穩(wěn)定，而且單位成本也比較低。基于以上原因，它們已成為廣泛應(yīng)用于要求較嚴(yán)苛的汽車、醫(yī)療和暖通空調(diào)領(lǐng)域的主要傳感器類型。

　　然而，與氣體的直接接觸也帶來了熱導(dǎo)傳感器自身的問題。鑒于氣流速度測(cè)量只是選擇性的，外推氣流速度就異常重要。然而，氣管內(nèi)的速度分布取決于入口條件，若緊挨傳感器的前方氣管彎曲，甚至氣管內(nèi)表面的不同結(jié)構(gòu)，或者氣流導(dǎo)管的拐角和邊緣，這些因素都有可能影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度。此外，嚴(yán)重污染的空氣也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量元件的污濁。

一種間接測(cè)量方法：旁路方案

　　解決以上這些問題的一種有效方法，便是將傳感器放到一個(gè)旁路管中。這種情況下，一個(gè)小氣孔、文丘里噴嘴或葉片都會(huì)因?yàn)橐龑?dǎo)一小部分氣體流經(jīng)旁路導(dǎo)管而產(chǎn)生壓差(見圖2)。熱導(dǎo)氣流傳感器具有高精確度、再現(xiàn)性和穩(wěn)定性，特別是在氣流速度很低的情況下。在旁路管中放置一個(gè)設(shè)計(jì)良好的壓差感應(yīng)元件可以確保壓差測(cè)量結(jié)果不受導(dǎo)流條件的影響。利用惰性原理并最小化旁路管氣流速度，就可以確保只有純凈的氣體才會(huì)接觸傳感器芯片，從而提高測(cè)量準(zhǔn)確度。

　　此外，這種旁路管測(cè)量方法也有助于簡化制造流程。因?yàn)閭鞲衅魇窃谏a(chǎn)流程的最后才安裝的，氣流元件就可以單獨(dú)生產(chǎn)。在設(shè)計(jì)嚴(yán)謹(jǐn)和氣孔孔口公差精確的情況下，常可放寬對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的最后校準(zhǔn)。為此需要考慮如下幾點(diǎn)：

　　1)氣孔的作用是稍微增加一點(diǎn)氣流阻力，從而產(chǎn)生壓差。從物理上來說，有兩種方法可產(chǎn)生壓差：其一是氣體與氣孔表面的摩擦(表面與氣流平行)會(huì)引起氣壓下降，這種壓差會(huì)隨氣流增加而呈線性增加。其二是端頭表面及其邊緣會(huì)產(chǎn)生氣旋而引起壓差，這種壓差會(huì)隨氣流增加而呈現(xiàn)二次方的增加。實(shí)際情況下，氣孔總是兩種類型的混合，因此壓力/氣流的特性總是線性和二次方的混合(見圖3)。

　　哪種方式占主導(dǎo)地位，取決于氣孔的設(shè)計(jì)，而線性特征一般較為理想，因?yàn)樗跉饬髁枯^小時(shí)可以提高敏感度，可以穩(wěn)定零點(diǎn)，而且在高氣流速度時(shí)也可以降低壓差。

　　因此氣孔的內(nèi)表面要盡量與氣流平行，并將橫面面積降至最低。傳統(tǒng)的圓形氣孔并不太適合這種要求，蜂窩結(jié)構(gòu)是最理想的，但成本比較昂貴。安裝如圖四所示的葉片是一個(gè)簡單而有效的方法，因?yàn)槿~片使用注塑即可生產(chǎn)。

干凈的氣體

　　得益于惰性效應(yīng)，旁路管里的微塵顆粒比主氣管里的要少。如果旁路管的接頭部分背向放置，氣體需要旋轉(zhuǎn)大于90°才能到達(dá)傳感器，這樣可以進(jìn)一步減少微塵顆粒。導(dǎo)流葉片放在接頭部分的上游處，可以保持氣流穩(wěn)定而且分層，從而降低傳感器信號(hào)噪聲。最后，接頭部分應(yīng)該盡量小，理想的尺寸是直徑0.6 mm(見圖5)。

　　雖然采用旁路管的方法來測(cè)量氣流減少了對(duì)氣管內(nèi)部變化的敏感度，但氣管內(nèi)部設(shè)計(jì)仍要謹(jǐn)慎才行。理想的情況是在氣管測(cè)量點(diǎn)的上游不要有尖銳的彎曲或邊緣，而且氣管直徑也不要有陡然的變化。此外，某種阻流機(jī)制，比如在傳感器上游加一個(gè)濾網(wǎng)，可以讓氣流在管道內(nèi)均勻分布，從而有助于穩(wěn)定氣流波動(dòng)，減少不好的變化影響。

傳感器選擇

　　在旁路測(cè)量中選擇合適的傳感器，是最有效且最劃算的方法。理想的壓差傳感器能夠滿足如下要求：它們尺寸小，可以降低氣流測(cè)量的空間要求。目前市面上尺寸最小的壓差傳感器是Sensirion公司生產(chǎn)的SDP3x。這種傳感器的尺寸只有5mmx 8mmx 5mm，可以應(yīng)用在以前由于空間限制而無法采用任何傳感器技術(shù)的領(lǐng)域，因此它帶來了很多新的集成應(yīng)用可能，比如醫(yī)用吸入器。雖然SDP3x傳感器尺寸小，但其靈敏度很高，而且沒有零點(diǎn)漂移。因此，這種傳感器可以測(cè)量很寬的壓差范圍。其具體溫度補(bǔ)償可以根據(jù)旁路管氣流測(cè)量的要求而調(diào)整，以確保氣流在整個(gè)溫度范圍內(nèi)都是可以準(zhǔn)確測(cè)量的。這樣的好處是，在將壓差輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為氣流重量或體積單位時(shí)，不再需要溫度補(bǔ)償，而且也沒必要設(shè)置復(fù)雜的旁路系統(tǒng)流程了，整個(gè)系統(tǒng)的最后校準(zhǔn)也可以免除。這種傳感器還可以回流焊接，具有多個(gè)I2C地址或斷點(diǎn)等新功能，而且在2 kHz 和16位分辨率的響應(yīng)速度極快。以上這些優(yōu)點(diǎn)讓SDP3x傳感器成為需要準(zhǔn)確測(cè)量氣流的大批量但成本敏感的應(yīng)用的理想選擇。

　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第9期第31頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。