目前气体流量检测使用仪表一般有涡轮流量计、涡街流量计、旋进旋涡流量计、差压式流量计和容积式流量计等。这些仪表虽能满足一般的工业应用，但仍存在许多不足[1，2]。首先，差压式、旋进旋涡和容积式等流量仪表压力损失较大，浪费能源的现象严重，涡轮流量计有可动部件，工作寿命短;其次，它们的测量范围度都比较小，差压式流量计一般在3倍左右，其它流量计在10倍左右，有的可以达到20倍左右，但在小流量测量方面有较大缺陷;第三，测量精度低，目前国内的上述气体流量仪表的测量精度一般也只能达到1%。

　　热式流量计在**风速仪的基础上发展起来，一般用来测量气体的质量流量。其具有压损低，测量范围度大，无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点。在气体流量检测领域已得到一定的应用[3-5]。

　　早期的热式流量计也有用**(一般是直径为3～20μm的铂丝)作探头的，但由于结构上的原因，**置于气流中，比较容易损坏。热膜探头就是因为能够克服**探头容易损坏的缺点得到广泛应用的。目前使用的热膜探头一般都是在微小的陶瓷基片上沉积金属铂形成的热膜探头[6-8]，具有结构牢固、反应灵敏、一致性好等特点。

　　组合热膜探头将多个电阻集成在同一陶瓷基片上，是目前比较新颖的热式流量探头。一般在同一陶瓷基片上集成两个热膜电阻，一个作加热使用，一个作补偿使用。两个电阻或独立引线(4线)，或接成公共端引线(3线)。3线组合热膜探头的内部结构如图1。

　　从内部结构可以看到，该探头是将加热电阻和补偿电阻串联集成在一片底层陶瓷基片上，基片厚度仅为0.15mm，两个电阻由三条低阻导线引出，探头尺寸为7mm×2.4mm。传感元件包括两个固定于底层基片的随温度变化的铂膜电阻和一个公共端，其中低阻值电阻的一块小区域用作加热电阻RH，在0℃时，探头电阻为45Ω(±0.5%);而另外一个高阻值电阻用作补偿电阻RC，在0℃时，探头电阻为1200Ω(±0.5%)。因为它的热容量低，传感器有较快的加热和冷却的反应时间。

　　1 整体系统设计

　　控制核心单元选用的是美国TI公司生产的单片机MSP430F435，图2为整个系统的结构框图。系统控制器为一片MSP430F435单片机。外部模块包括流量检测、电源模块、按键模块、液晶显示模块、标准电流输出、时钟芯片等。

　　对于热式质量流量计来说，它的流量检测是根据热平衡原理，电流流过热膜探头所产生的热量应该等于流体流过热膜探头所带走的热量。在恒温工作模式下，利用惠斯登电桥可以得到与流量成一定对应关系的电压输出，然后经过信号放大电路使电压信号进入MSP430单片机的A/D转换模块转换为数字量，并进行流量的积算，*终使其具有瞬时流量和累积流量的液晶显示。

　　1.1 组合热膜探头检测电路

　　组合热膜探头的流量检测电路如图3。主要包括温度补偿电路和信号放大两部分，其中温度补偿桥路完全是在探头散热特性的基础上进行设计，在整个检测电路中具有很重要的作用。探头散热特性试验和补偿设计原则与单热膜探头类似[6，7]。不同点是组合热膜探头的补偿电阻与加热电阻在同一陶瓷基片上，所以，加热电阻的热量必定会影响补偿电阻感受介质温度。为了消除这种影响，可以在探头散热特性试验时预先检测加热探头在不同环境温度下对补偿探头测温的影响，并在补偿桥路设计时加以扣除。

　　加热探头RH和补偿探头RC都安装在流通管道中，两个探头与固定电阻R1和R2组成测量桥路。管道中气流静止时，根据加热探头的散热特性设计的桥路参数将使通过加热探头RH的电流IH维持在某一静态电流以维持探头温度TH。当气流通过管道时，探头温度TH有下降的趋势，这一趋势通过反馈能及时增加探头电流IH来维持探头原有的温度TH，这就是恒温工作方式。

　　可以证明，通过加热探头的电流IH与质量流速ρv之间有式(1)所示的关系[9]。

　　当探头工作在恒温方式时，**和被测气体的R温度差(TH-TC)保持一定，RH应为常数，供给**的电流IH就是空气质量流量的衡量尺度。信号电流IH的平方与质量流量qm的平方根成正比。电流IH在R1上的压降V作为流量信号，通过放大处理输出，与质量流量qm之间的关系应为四次多项式曲线关系。

　　1.2 软件设计

　　整体系统的软件程序采用C语言编写，软件算法的设计以测量的**性为主要目标，其主要程序流程图如图4。

　　系统的软件部分主要包括信号采集、瞬时流量计算模块、流量累积模块、串行同步/异步模块、显示和按键处理模块[10]。

　　瞬时流量计算模块主要就是将A/D转换后的电压信号按照式(2)算出瞬时流量。

　　式(2)中：A，B，C，D为待定常数。

　　流量累积模块是整个系统的核心，关系到整个仪表的精度。软件设计思路采用1s一次的定时中断对瞬时流量进行累积，实现流量的累积。

　　为了能够实现流量信号的远传需要将流量信号转换为4～20mA的标准电流信号，也就是标准电流输出单元。本单元的核心部分是采用AD420芯片来实现的，单片机通过串行同步/异步模块(USART)，然后再经过AD420转换为标准的4～20mA电流信号进行远距离传输。

　　按键处理模块主要是使LCD液晶具有瞬时流量和累积流量的切换显示功能。

　　2 流量测量实验

　　根据上述流量检测电路，设计了DN25的组合热膜探头气体流量传感器，流量传感器的探头安装结构如图5。在音速喷嘴检测装置上对流量传感器进行了多次检测实验，取3组实验结果数据进行分析，如表1。

　　把表1的数据画成曲线图如图6。

　　从表1和图6可以看出，电压与流量之间具有较好的一一对应关系，于是我们就可以根据输出的电压来检测流场中的流量。并且在相同的实验条件下，当气体流量相同时，三组实验的输出电压值也基本相同，即三组实验的输出电压重复性较好。这就表明该组合热膜探头测量气体流量是可行的。

　　3 曲线拟合及误差分析

　　我们采用的是多项式拟合。一般流量计对应的响应方程通常需要描述成Q=F(U)，Q为流量，U为对应变化的电压。

　　这里对实验中的**组数据进行基于*小二乘法的6阶多项式曲线拟合，并确定其拟合公式，建立流量传感器的数学模型。如式(3)：

　　根据式(3)计算这三组所测流量的拟合误差，如表2。

　　从表2可以看出三组实验数据的拟合误差均在0.5%以下，完全符合一般工业管道流量的测量，而且其测量范围度很广，在60倍左右，且精度非常高。这是其它流量计无法比拟的。

　　4 结语

　　本文所研究的组合热膜探头气体流量传感器，在工作电流为30mA左右时，探头环境温差已有摄氏100多度，具有较高的灵敏度。该工作电流不到一般20Ω热膜电阻工作电流的一半，从而使探头更不容易损坏。

　　试验表明，该气体流量传感器测量范围大，重复性好，响应速度高。经音速喷嘴气体流量装置实验检测，6阶拟合误差小于±0.5%，测量范围达60∶1，可以用于管道气体流量的测量。