熱膜式氣體流量傳感器溫度補償電路研究

諶福華 王長虹 程穎 齊虹

中國電子科技集團公司第四十九研究所， 黑龍江 哈爾濱 150001

熱膜式氣體流量傳感器溫度補償電路研究

諶福華 王長虹 程穎 齊虹

中國電子科技集團公司第四十九研究所， 黑龍江 哈爾濱 150001

過對熱膜式氣體流量傳感器發熱控制電路的分析，設計和優化補償電阻，提出了R1是溫度補償主要電阻。補償電阻R1對環境溫度變化時，對恒定加熱絲溫度起到關鍵作用，環境溫度變化時使溫控電路分壓比相應發生變化63.70%～69.63%（環境溫度由-15℃～85℃），且在不同結構、量程的熱膜流量傳感器，設定的加熱電阻溫度和分壓比是有差異的，對補償電阻的合理選取及匹配電阻參數合理設計，可擴展熱膜式流量傳感器溫度使用范圍，可提高傳感器熱靈敏度漂移及熱零點漂移等性能指標。對提高流量精度、完善熱膜流量設計、開發新產品、形成產品系列化有指導意義。

補償電阻；熱靈敏度漂移；熱零點漂移；加熱電阻；分壓比

1 工作原理

熱膜氣體質量傳感器是基于熱傳輸工作原理，基于最新的MEMS微加工技術，傳感器內含一塊獨特的流量敏感芯片，它包含薄膜測溫熱敏電阻、發熱及熱敏匹配電阻，參見結構圖1，作為熱源的加熱鉑電阻Rh放置在管道中間,加熱電阻Rh兩端各放置一個測溫熱敏電阻Ra、Rb，測溫電阻緊挨加熱電阻，用以檢測溫度變化。Rc、Rd和Rf為熱敏匹配電阻，匹配電阻離加熱電阻相對較遠，不受加熱電阻溫度影響，只受環境溫度影響。匹配電阻電路保持加熱電阻溫度恒定高于周圍一固定溫度，加熱電阻滿足公式（1）。

Tm--為加熱電阻溫度

T0—為環境溫度即流體溫度

A--加熱電阻和其管壁及其內部氣體總熱傳導系數

W—加熱電阻加熱功率

可見溫差一定，加熱電阻加熱功率與氣體質量流量qm，介質比定壓熱容CP成正比，即

CP--介質比定壓熱容

qm--氣體質量流量

Rh為加熱電阻阻值

從式（3）可以看出Tm-T0溫差不變，加熱絲Rh不變時，氣體質量流量qm與加熱電阻所加電壓U2成正比。實際氣體比熱容受壓力溫度的影響，但變化比較小，常溫100℃之內影響小于1%，實際中控制Tm-T0溫差恒定，即控制加熱電阻溫度度始終恒定高于環境溫度一固定溫度（160℃）是提高傳感器精度主要指標。圖2為加熱溫度控制電路，R1為不隨環境溫度變化的固定電阻。

圖1 熱膜發熱器敏感電阻結構圖

2 流量傳感器溫度補償過程分析

2.1 當質量流量氣體溫度不變

2.1.1 當流量氣體溫度不變，無氣體通過流量工作狀態，參見圖2溫度補償及加熱電阻電路。LM124⑩腳電壓即為加熱電阻Rh電壓，電壓為(Rc+R1)U0/（Rf+Rc+R1），U0為LM124⑧腳電壓，LM124⑩腳電壓由Rf、R1、Rc電阻決定，即決定加熱電阻電壓，電路穩定狀態時LM124⑨腳電壓與⑩腳電壓相等即（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）= Rh1/（Rh1+ Rd），即電阻分壓比相等。參見表1中常溫20℃，靜態電阻電壓分壓比65.40%，加熱電阻Rh1阻值達1.174K，滿足溫度系數公式；α=(Rt2-Rt1)/Δ t*Rt1），已知溫度系數3200ppm/℃。

圖2 溫度補償及加熱電阻電路

2.1.2 當熱膜式氣體流量傳感器流量發生變化。流體溫度恒定常溫，(環境溫度不變)，工作狀態下除加熱電阻及橋臂電阻Ra及Rb外，其他敏感電阻與周圍環境溫度相同，分壓比=（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）與無流量時相同，保持恒定。而氣體流量變化時，加熱電阻擴散到周圍環境中熱能增加，流量使加熱電阻溫度降低，阻值減小，Rf/（Rc+R1）＜Rd/Rh0，使LM124⑨腳電壓降低，電路產生負反饋，致使LM124⑧腳電壓升高，加熱電阻電壓升高，加熱電阻功耗增加，轉變的熱能增加，使加熱電阻阻值保持恒定，即保持電阻比（Rc+R1）/（Rc+R1+ Rf）= Rh1/（Rh1+ Rd）。環境溫度不變，參見表1，流量變化時加熱電阻保持恒定，流量變化加熱電阻阻值不變，電阻上電壓隨流量增加電壓升高，而電阻分壓比不變。

常溫參數R1=1.5k Ω、Rd=0.601k Ω、Rh=0.729k Ω、Rc=6.04k Ω、Rf=3.97k Ω

表1 當補償電阻R1為1.5k Ω時，常溫20℃動態分壓比數據

2.2 質量流量氣體溫度相對變化

2.2.1 當流體溫度變化時，因匹配電阻Rd與Rf、Rc一起隨環境溫度變化，外接補償電阻R1阻值不隨環境溫度變化，R1對流量芯片其他芯片電阻而言相當于負溫度系數電阻，當其他電阻變大,相當于R1變小，即R1可認為阻值不隨氣體溫度變化，但電阻比（Rc1+R1）/（Rc1+R1+ Rf1）隨環境溫度發生變化，即電阻電壓分壓比隨環境溫度發生變化，R1越大變化越明顯，溫度越高，分壓比越小。在無補償電阻R1,當環境溫度過低于常溫時，匹配電阻值Rd過低，加熱電阻發熱量達不到要求，低溫時補償電阻R1可提高分壓比，提高加熱電阻電壓，起到溫度補償作用。參見表2及表3。以量程6L/min為例，85℃時運放LM124⑧、⑩管腳及加熱電阻電壓分別為5.646V、3.638V、3.63V,此時分壓比64. 4%，當溫度降低-15℃時，運放LM124⑧、⑩管腳及加熱電阻電壓分別為4.61V、3.20V、3.21V,此時分壓比69.65%。因Rd電阻隨環境溫度變化，為保持Rh加熱電阻溫度始終比環境溫度高出一固定溫度160～170℃左右，如不加補償電阻R1，溫度變化，分壓比不變，則高溫段加熱電阻溫度與環境溫度溫度差遠高于低溫段加熱電阻溫度與低溫環境溫度差，則流量芯片高溫靈敏度比較高，低溫靈敏度低，將產生比較大熱靈敏度漂移及熱零點漂移。

表2 當補償電阻R1為1.5k Ω時，低溫-15℃動態分壓比數據

2.2.2 當測試氣體環境溫度變化時，且氣體流量發生變化時。參見表2及表3，此時環境溫度影響電阻分壓比，

（Rc1+R1）/（Rc1+R1+ Rf1）= Rh2/(Rd1+Rh2), Rh2為環境溫度變化后加熱絲電阻值，在此分壓比作用下，流量增加，LM124⑧管腳電壓升高，加熱電阻電壓升高，加熱電阻功耗增加，使加熱電阻Rh2動態下溫度保持恒定。環境溫度-15℃時，加熱絲電阻保持1.051k Ω不變，氣體流量由0L/min變化到6L/min時，分壓比69.6%基本不變，加熱電阻上電壓由3.2V變化到4. 39V。傳感器環境溫度85℃時，加熱絲電阻保持1.282k Ω不變，氣體流量由0L/min變化到6L/min時，分壓比63.7%基本不變，加熱電阻上電壓由3.950V變化到5.252V。

表3 當補償電阻R1為1.5k Ω時，高溫85℃動態分壓比數據

3 結論

在熱膜式流量傳感器溫控電路設計過程中，外接補償電阻R1及加熱電阻和匹配電阻設計參數選取至關重要。R1是溫度補償主要電阻。環境溫度變化，使靜態分壓比發生變化，R1使電路達到溫度補償、提高精度作用。合理設計匹配電阻參數，可實現合理設定加熱電阻溫度目的，可以實現加熱電阻溫度隨環境溫度線性變化，不隨流量變化，同時減少匹配電阻功率損耗。對提高熱膜式流量傳感器溫度使用范圍，完善熱膜流量設計，開發新產品，形成產品系列化等方面起到非常重要作用。

[1]蔡武昌.流量測量技術及儀表.北京機械工業出版社.2002.5

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.059

諶福華（1967—）男 工程師 中國電子科技集團公司第四十九研究所 封裝中心,主要從事傳感器溫度補償研究。