基于熱式流量計(jì)的氣體檢測儀的設(shè)計(jì)

黃睿

【摘? 要】以汽車尾氣的排放量為研究對象，設(shè)計(jì)并制作出基于熱式氣體流量計(jì)的汽車尾氣檢測器。可采用汽車提供的蓄電池供電，可安裝于汽車尾氣排氣管內(nèi)。系統(tǒng)擬采用Pt20和Pt200鉑電阻一體式傳感器作為檢測器件，采用STC89C51單片機(jī)片機(jī)作為主控芯片。

【關(guān)鍵詞】熱式流量計(jì);測溫電阻;橋式電路

引言

儀器系統(tǒng)選用熱式氣體流量計(jì)作為尾氣排放量監(jiān)測探頭。檢測探頭采用Pt10和Pt200鉑電阻一體式傳感器，兩個(gè)鉑電阻分別用于檢測氣體流速和氣體溫度，稱為測速和測溫電阻。當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，會帶走測速電阻上的熱量。根據(jù)電阻熱量公式，通過檢測采樣電阻上電流的變化就可以計(jì)算出汽車尾氣的速度，即尾氣排放量。將采集得到的信號經(jīng)過放大傳送至到單片機(jī)計(jì)算處理，最后將得到的氣體流量速度顯示并保存。

1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱式氣體質(zhì)量流量儀是利用熱傳導(dǎo)原理來測量流體流量。設(shè)計(jì)中將傳感探頭直接插入氣體中，精確測量氣體的流速。傳感探頭主要有兩個(gè)鉑電阻組成，一個(gè)測量汽車尾氣的溫度，稱為測溫電阻。另一個(gè)加熱電阻，用于保持高于汽車尾氣的恒溫度，稱為測速電阻。當(dāng)氣體流動(dòng)時(shí)，會帶走測速電阻上的熱量，通過檢測采用電阻的熱損耗，就可以判定汽車尾氣的速度，即排放量。

系統(tǒng)檢測工作時(shí)，首先Pt10受熱升溫，Pt200用于感應(yīng)被測氣體溫度，當(dāng)氣流通過流量傳感器時(shí)，Pt10被冷卻，溫度下降，其電阻值隨之減小，電流增大，并且氣體流速越快，電流越大。再通過取樣電阻采集，將采樣的數(shù)據(jù)經(jīng)過放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換，傳送至到單片機(jī)，再經(jīng)單片機(jī)處理，從而得到氣體流量速度，并通過顯示部分顯示出來。

2.全電路分析

TLE4275-Q1輸出一個(gè)穩(wěn)定的5V電源，提供給后續(xù)電路供電。在電路開啟時(shí)，PT10被加熱到高于PT20015度，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)。當(dāng)有汽車尾氣流過時(shí)，尾氣會帶走PT10的溫度，從而溫度被改變，電阻值隨之改變，因而導(dǎo)致測速端電壓改變，從而電橋平衡被破壞，運(yùn)放OP117輸出端電壓上升，從而LM317的ADJ的電壓上升，而ADJ電壓上升后使輸出端VO電壓上升，經(jīng)過反饋電路使流過的測速端電阻的電流急劇增加，從而造成其溫度升高，電阻變小，測溫端的電壓隨之改變，電橋重新回歸平衡。當(dāng)溫度升高到運(yùn)放的同相端和反相端的電壓相同時(shí)，電流穩(wěn)定，電橋平衡，就停止加熱。通過測量PT200電流的變化，根據(jù)熱交換平衡原理就可以得出氣體的流速。將檢測的PT200電流數(shù)據(jù)經(jīng)過通過放大器LMV822M將信號放大，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部計(jì)算和處理后，最后送入存儲芯片MB84RC64保存和顯示界面顯示。

3.結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，檢測的數(shù)據(jù)非常精確。通過組態(tài)模式控制修正，借助相關(guān)設(shè)備，還可以可修正有害物排放系數(shù)、排氣管內(nèi)徑。

該儀器可用于汽車檢測中心對汽車尾氣排放量的檢測和監(jiān)控。整個(gè)測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無可動(dòng)部件，抗震性能好，采用直插式檢測法，檢測數(shù)據(jù)精確，汽車的震動(dòng)和高溫壓對測量不影響。檢測儀還可以將檢測的數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)保存，歷史數(shù)據(jù)可查，可隨時(shí)檢測汽車尾氣排放量的歷史數(shù)據(jù)。

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基金項(xiàng)目：2021年杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院校級科研項(xiàng)目《汽車尾氣排放流量檢測儀的設(shè)計(jì)與開發(fā)》 ky202132