如何在有限的空間內精確測量氣流

作者 / Andries Bosma Sensirion氣流/壓差產品經理

　　Markus Balke 儒卓力電子(Rutronik)模擬和傳感器高級營銷經理

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

引言

　　無論是醫療設備還是汽車系統，在氣流測量方面，精度和成本效益都是最重要的考慮因素。得益于微熱導氣流傳感器，即便在很小的空間內也可以同時兼顧以上兩者。

　　測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，然而這類方法相對較貴，因此對很多應用來說都不太適合。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械性差距，以此測量氣壓下降量，但是由于滯后效應和隔膜磨損，這種測量方法會導致漂移問題，缺乏零點準確性。

熱測量方法

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

　　“微熱導氣流傳感器”指的是將傳感器元件集成進一個毫米級的芯片中。除了微小的尺寸外，另外一個決定性優勢在于它們可以使用標準制造工藝，因此可以大批量生產，不但質量穩定，而且單位成本也比較低。基于以上原因，它們已成為廣泛應用于要求較嚴苛的汽車、醫療和暖通空調領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傳感器自身的問題。鑒于氣流速度測量只是選擇性的，外推氣流速度就異常重要。然而，氣管內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，甚至氣管內表面的不同結構，或者氣流導管的拐角和邊緣，這些因素都有可能影響測量結果的準確度。此外，嚴重污染的空氣也會導致測量元件的污濁。

一種間接測量方法：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旁路管中。這種情況下，一個小氣孔、文丘里噴嘴或葉片都會因為引導一小部分氣體流經旁路導管而產生壓差(見圖2)。熱導氣流傳感器具有高精確度、再現性和穩定性，特別是在氣流速度很低的情況下。在旁路管中放置一個設計良好的壓差感應元件可以確保壓差測量結果不受導流條件的影響。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接觸傳感器芯片，從而提高測量準確度。

　　此外，這種旁路管測量方法也有助于簡化制造流程。因為傳感器是在生產流程的最后才安裝的，氣流元件就可以單獨生產。在設計嚴謹和氣孔孔口公差精確的情況下，常可放寬對整個系統的最后校準。為此需要考慮如下幾點：

　　1)氣孔的作用是稍微增加一點氣流阻力，從而產生壓差。從物理上來說，有兩種方法可產生壓差：其一是氣體與氣孔表面的摩擦(表面與氣流平行)會引起氣壓下降，這種壓差會隨氣流增加而呈線性增加。其二是端頭表面及其邊緣會產生氣旋而引起壓差，這種壓差會隨氣流增加而呈現二次方的增加。實際情況下，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)。

　　哪種方式占主導地位，取決于氣孔的設計，而線性特征一般較為理想，因為它在氣流量較小時可以提高敏感度，可以穩定零點，而且在高氣流速度時也可以降低壓差。

　　因此氣孔的內表面要盡量與氣流平行，并將橫面面積降至最低。傳統的圓形氣孔并不太適合這種要求，蜂窩結構是最理想的，但成本比較昂貴。安裝如圖四所示的葉片是一個簡單而有效的方法，因為葉片使用注塑即可生產。

干凈的氣體

　　得益于惰性效應，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，氣體需要旋轉大于90°才能到達傳感器，這樣可以進一步減少微塵顆粒。導流葉片放在接頭部分的上游處，可以保持氣流穩定而且分層，從而降低傳感器信號噪聲。最后，接頭部分應該盡量小，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量氣流減少了對氣管內部變化的敏感度，但氣管內部設計仍要謹慎才行。理想的情況是在氣管測量點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，某種阻流機制，比如在傳感器上游加一個濾網，可以讓氣流在管道內均勻分布，從而有助于穩定氣流波動，減少不好的變化影響。

傳感器選擇

　　在旁路測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公司生產的SDP3x。這種傳感器的尺寸只有5mmx 8mmx 5mm，可以應用在以前由于空間限制而無法采用任何傳感器技術的領域，因此它帶來了很多新的集成應用可能，比如醫用吸入器。雖然SDP3x傳感器尺寸小，但其靈敏度很高，而且沒有零點漂移。因此，這種傳感器可以測量很寬的壓差范圍。其具體溫度補償可以根據旁路管氣流測量的要求而調整，以確保氣流在整個溫度范圍內都是可以準確測量的。這樣的好處是，在將壓差輸出信號轉換為氣流重量或體積單位時，不再需要溫度補償，而且也沒必要設置復雜的旁路系統流程了，整個系統的最后校準也可以免除。這種傳感器還可以回流焊接，具有多個I2C地址或斷點等新功能，而且在2 kHz 和16位分辨率的響應速度極快。以上這些優點讓SDP3x傳感器成為需要準確測量氣流的大批量但成本敏感的應用的理想選擇。

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