热膜式气体流量传感器温度补偿电路研究

谌福华 王长虹 程颖 齐虹

中国电子科技集团公司第四十九研究所， 黑龙江 哈尔滨 150001

热膜式气体流量传感器温度补偿电路研究

谌福华 王长虹 程颖 齐虹

中国电子科技集团公司第四十九研究所， 黑龙江 哈尔滨 150001

过对热膜式气体流量传感器发热控制电路的分析，设计和优化补偿电阻，提出了R1是温度补偿主要电阻。补偿电阻R1对环境温度变化时，对恒定加热丝温度起到关键作用，环境温度变化时使温控电路分压比相应发生变化63.70%～69.63%（环境温度由-15℃～85℃），且在不同结构、量程的热膜流量传感器，设定的加热电阻温度和分压比是有差异的，对补偿电阻的合理选取及匹配电阻参数合理设计，可扩展热膜式流量传感器温度使用范围，可提高传感器热灵敏度漂移及热零点漂移等性能指标。对提高流量精度、完善热膜流量设计、开发新产品、形成产品系列化有指导意义。

补偿电阻；热灵敏度漂移；热零点漂移；加热电阻；分压比

1 工作原理

热膜气体质量传感器是基于热传输工作原理，基于最新的MEMS微加工技术，传感器内含一块独特的流量敏感芯片，它包含薄膜测温热敏电阻、发热及热敏匹配电阻，参见结构图1，作为热源的加热铂电阻Rh放置在管道中间,加热电阻Rh两端各放置一个测温热敏电阻Ra、Rb，测温电阻紧挨加热电阻，用以检测温度变化。Rc、Rd和Rf为热敏匹配电阻，匹配电阻离加热电阻相对较远，不受加热电阻温度影响，只受环境温度影响。匹配电阻电路保持加热电阻温度恒定高于周围一固定温度，加热电阻满足公式（1）。

Tm--为加热电阻温度

T0—为环境温度即流体温度

A--加热电阻和其管壁及其内部气体总热传导系数

W—加热电阻加热功率

可见温差一定，加热电阻加热功率与气体质量流量qm，介质比定压热容CP成正比，即

CP--介质比定压热容

qm--气体质量流量

Rh为加热电阻阻值

从式（3）可以看出Tm-T0温差不变，加热丝Rh不变时，气体质量流量qm与加热电阻所加电压U2成正比。实际气体比热容受压力温度的影响，但变化比较小，常温100℃之内影响小于1%，实际中控制Tm-T0温差恒定，即控制加热电阻温度度始终恒定高于环境温度一固定温度（160℃）是提高传感器精度主要指标。图2为加热温度控制电路，R1为不随环境温度变化的固定电阻。

图1 热膜发热器敏感电阻结构图

2 流量传感器温度补偿过程分析

2.1 当质量流量气体温度不变

2.1.1 当流量气体温度不变，无气体通过流量工作状态，参见图2温度补偿及加热电阻电路。LM124⑩脚电压即为加热电阻Rh电压，电压为(Rc+R1)U0/（Rf+Rc+R1），U0为LM124⑧脚电压，LM124⑩脚电压由Rf、R1、Rc电阻决定，即决定加热电阻电压，电路稳定状态时LM124⑨脚电压与⑩脚电压相等即（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）= Rh1/（Rh1+ Rd），即电阻分压比相等。参见表1中常温20℃，静态电阻电压分压比65.40%，加热电阻Rh1阻值达1.174K，满足温度系数公式；α=(Rt2-Rt1)/Δ t*Rt1），已知温度系数3200ppm/℃。

图2 温度补偿及加热电阻电路

2.1.2 当热膜式气体流量传感器流量发生变化。流体温度恒定常温，(环境温度不变)，工作状态下除加热电阻及桥臂电阻Ra及Rb外，其他敏感电阻与周围环境温度相同，分压比=（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）与无流量时相同，保持恒定。而气体流量变化时，加热电阻扩散到周围环境中热能增加，流量使加热电阻温度降低，阻值减小，Rf/（Rc+R1）＜Rd/Rh0，使LM124⑨脚电压降低，电路产生负反馈，致使LM124⑧脚电压升高，加热电阻电压升高，加热电阻功耗增加，转变的热能增加，使加热电阻阻值保持恒定，即保持电阻比（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）= Rh1/（Rh1+ Rd）。环境温度不变，参见表1，流量变化时加热电阻保持恒定，流量变化加热电阻阻值不变，电阻上电压随流量增加电压升高，而电阻分压比不变。

常温参数R1=1.5k Ω、Rd=0.601k Ω、Rh=0.729k Ω、Rc=6.04k Ω、Rf=3.97k Ω

表1 当补偿电阻R1为1.5k Ω时，常温20℃动态分压比数据

2.2 质量流量气体温度相对变化

2.2.1 当流体温度变化时，因匹配电阻Rd与Rf、Rc一起随环境温度变化，外接补偿电阻R1阻值不随环境温度变化，R1对流量芯片其他芯片电阻而言相当于负温度系数电阻，当其他电阻变大,相当于R1变小，即R1可认为阻值不随气体温度变化，但电阻比（Rc1+R1）/（Rc1+R1+ Rf1）随环境温度发生变化，即电阻电压分压比随环境温度发生变化，R1越大变化越明显，温度越高，分压比越小。在无补偿电阻R1,当环境温度过低于常温时，匹配电阻值Rd过低，加热电阻发热量达不到要求，低温时补偿电阻R1可提高分压比，提高加热电阻电压，起到温度补偿作用。参见表2及表3。以量程6L/min为例，85℃时运放LM124⑧、⑩管脚及加热电阻电压分别为5.646V、3.638V、3.63V,此时分压比64. 4%，当温度降低-15℃时，运放LM124⑧、⑩管脚及加热电阻电压分别为4.61V、3.20V、3.21V,此时分压比69.65%。因Rd电阻随环境温度变化，为保持Rh加热电阻温度始终比环境温度高出一固定温度160～170℃左右，如不加补偿电阻R1，温度变化，分压比不变，则高温段加热电阻温度与环境温度温度差远高于低温段加热电阻温度与低温环境温度差，则流量芯片高温灵敏度比较高，低温灵敏度低，将产生比较大热灵敏度漂移及热零点漂移。

表2 当补偿电阻R1为1.5k Ω时，低温-15℃动态分压比数据

2.2.2 当测试气体环境温度变化时，且气体流量发生变化时。参见表2及表3，此时环境温度影响电阻分压比，

（Rc1+R1）/（Rc1+R1+ Rf1）= Rh2/(Rd1+Rh2), Rh2为环境温度变化后加热丝电阻值，在此分压比作用下，流量增加，LM124⑧管脚电压升高，加热电阻电压升高，加热电阻功耗增加，使加热电阻Rh2动态下温度保持恒定。环境温度-15℃时，加热丝电阻保持1.051k Ω不变，气体流量由0L/min变化到6L/min时，分压比69.6%基本不变，加热电阻上电压由3.2V变化到4. 39V。传感器环境温度85℃时，加热丝电阻保持1.282k Ω不变，气体流量由0L/min变化到6L/min时，分压比63.7%基本不变，加热电阻上电压由3.950V变化到5.252V。

表3 当补偿电阻R1为1.5k Ω时，高温85℃动态分压比数据

3 结论

在热膜式流量传感器温控电路设计过程中，外接补偿电阻R1及加热电阻和匹配电阻设计参数选取至关重要。R1是温度补偿主要电阻。环境温度变化，使静态分压比发生变化，R1使电路达到温度补偿、提高精度作用。合理设计匹配电阻参数，可实现合理设定加热电阻温度目的，可以实现加热电阻温度随环境温度线性变化，不随流量变化，同时减少匹配电阻功率损耗。对提高热膜式流量传感器温度使用范围，完善热膜流量设计，开发新产品，形成产品系列化等方面起到非常重要作用。

[1]蔡武昌.流量测量技术及仪表.北京机械工业出版社.2002.5

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.059

谌福华（1967—）男 工程师 中国电子科技集团公司第四十九研究所 封装中心,主要从事传感器温度补偿研究。