如何在有限的空间内精确测量气流

Andries+Bosma+Sensirion

摘要：本文介绍了两种测量气体的方法——熱测量法和旁路方案，并就传感器的选择给出了相应的分析。关键词：测量气体；热测量法；旁路发方案；传感器

DOI：10.3969几issn.1005-5517.2017.8.006

引言

无论是医疗设备还是汽车系统，在气流测量方面，精度和成本效益都是最重要的考虑因素。得益于微热导气流传感器，即便在很小的空间内也可以同时兼顾以上两者。

测量气流的方法有很多种，其中有些无需气体和传感器的接触，然而这类方法相对较贵，因此对很多应用来说都不太适合。压差方法是通过传感器隔膜来量度由于气流孔排气而引起的机械性差距，以此测量气压下降量，但是由于滞后效应和隔膜磨损，这种测量方法会导致漂移问题，缺乏零点准确性。

热测量方法

因此，基于热传导原理的测量方法开始流行开来。最简单的一种就是热线流速计，采用一种具有温阻特性的电气加热线，以其冷却速度来测量气流大小。而较复杂的测量方法是采用加热元件和至少两个温度传感器来测量气流传输的热量太小（见图1）。这些传感器元件能够比传统的热线流速计更为精确地测量气流大小，同时传感器元件的玻璃覆膜还具有抗腐蚀性。

“微热导气流传感器”指的是将传感器元件集成进一个毫米级的芯片中。除了微小的尺寸外，另外一个决定性优势在于它们可以使用标准制造工艺，因此可以大批量生产，不但质量稳定，而且单位成本也比较低。基于以上原因，它们已成为广泛应用于要求较严苛的汽车、医疗和暖通空调领域的主要传感器类型。

然而，与气体的直接接触也带来了热导传感器自身的问题。鉴于气流速度测量只是选择性的，外推气流速度就异常重要。然而，气管内的速度分布取决于入口条件，若紧挨传感器的前方气管弯曲，甚至气管内表面的不同结构，或者气流导管的拐角和边缘，这些因素都有可能影响测量结果的准确度。此外，严重污染的空气也会导致测量元件的污浊。

一种间接测量方法：旁路方案

解决以上这些问题的一种有效方法，便是将传感器放到一个旁路管中。这种情况下，一个小气孔、文丘里喷嘴或叶片都会因为引导一小部分气体流经旁路导管而产生压差（见图2）。热导气流传感器具有高精确度、再现性和稳定性，特别是在气流速度很低的情况下。在旁路管中放置一个设计良好的压差感应元件可以确保压差测量结果不受导流条件的影响。利用惰性原理并最小化旁路管气流速度，就可以确保只有纯净的气体才会接触传感器芯片，从而提高测量准确度。

此外，这种旁路管测量方法也有助于简化制造流程。因为传感器是在生产流程的最后才安装的，气流元件就可以单独生产。在设计严谨和气孔孔口公差精确的情况下，常可放宽对整个系统的最后校准。为此需要考虑如下几点：

1）气孔的作用是稍微增加一点气流阻力，从而产生压差。从物理上来说，有两种方法可产生压差：其一是气体与气孔表面的摩擦（表面与气流平行）会引起气压下降，这种压差会随气流增加而呈线性增加。其二是端头表面及其边缘会产生气旋而引起压差，这种压差会随气流增加而呈现二次方的增加。实际情况下，气孔总是两种类型的混合，因此压力/气流的特性总是线性和二次方的混合（见图3）。

哪种方式占主导地位，取决于气孔的设计，而线性特征一般较为理想，因为它在气流量较小时可以提高敏感度，可以稳定零点，而且在高气流速度时也可以降低压差。

因此气孔的内表面要尽量与气流平行，并将横面面积降至最低。传统的圆形气孔并不太适合这种要求，蜂窝结构是最理想的，但成本比较昂贵。安装如图四所示的叶片是一个简单而有效的方法，因为叶片使用注塑即可生产。干净的气体

得益于惰性效应，旁路管里的微尘颗粒比主气管里的要少。如果旁路管的接头部分背向放置，气体需要旋转大于90°才能到达传感器，这样可以进一步减少微尘颗粒。导流叶片放在接头部分的上游处，可以保持气流稳定而且分层，从而降低传感器信号噪声。最后，接头部分应该尽量小.理想的尺寸是直径0.6mm（见图5）。

虽然采用旁路管的方法来测量气流减少了对气管内部变化的敏感度，但气管内部设计仍要谨慎才行。理想的情况是在气管测量点的上游不要有尖锐的弯曲或边缘，而且气管直径也不要有陡然的变化。此外，某种阻流机制，比如在传感器上游加一个滤网，可以让气流在管道内均匀分布，从而有助于稳定气流波动，减少不好的变化影响。

传感器选择

在旁路测量中选择合适的传感器，是最有效且最划算的方法。理想的压差传感器能够满足如下要求：它们尺寸小，可以降低气流测量的空间要求。目前市面上尺寸最小的压差传感器是Sensirion公司生产的SDP3x。这种传感器的尺寸只有5mm×8mm×5mm，可以应用在以前由于空间限制而无法采用任何传感器技术的领域，因此它带来了很多新的集成应用可能，比如医用吸入器。虽然SDP3x传感器尺寸小，但其灵敏度很高，而且没有零点漂移。因此，这种传感器可以测量很宽的压差范围。其具体温度补偿可以根据旁路管气流测量的要求而调整，以确保气流在整个温度范围内都是可以准确测量的。这样的好处是，在将压差输出信号转换为气流重量或体积单位时，不再需要温度补偿，而且也没必要设置复杂的旁路系统流程了，整个系统的最后校准也可以免除。这种传感器还可以回流焊接，具有多个1²C地址或断点等新功能，而且在2 kHz和16位分辨率的响应速度极快。以上这些优点让SDP3x传感器成为需要准确测量气流的大批量但成本敏感的应用的理想选择。endprint