基于热式流量计的气体检测仪的设计
黄睿
【摘 要】以汽车尾气的排放量为研究对象，设计并制作出基于热式气体流量计的汽车尾气检测器。可采用汽车提供的蓄电池供电，可安装于汽车尾气排气管内。系统拟采用Pt20和Pt200铂电阻一体式传感器作为检测器件，采用STC89C51单片机片机作为主控芯片。
【关键词】热式流量计;测温电阻;桥式电路
引言
仪器系统选用热式气体流量计作为尾气排放量监测探头。检测探头采用Pt10和Pt200铂电阻一体式传感器，两个铂电阻分别用于检测气体流速和气体温度，称为测速和测温电阻。当气体流动时，会带走测速电阻上的热量。根据电阻热量公式，通过检测采样电阻上电流的变化就可以计算出汽车尾气的速度，即尾气排放量。将采集得到的信号经过放大传送至到单片机计算处理，最后将得到的气体流量速度显示并保存。
1.系统结构
热式气体质量流量仪是利用热传导原理来测量流体流量。设计中将传感探头直接插入气体中，精确测量气体的流速。传感探头主要有两个铂电阻组成，一个测量汽车尾气的温度，称为测温电阻。另一个加热电阻，用于保持高于汽车尾气的恒温度，称为测速电阻。当气体流动时，会带走测速电阻上的热量，通过检测采用电阻的热损耗，就可以判定汽车尾气的速度，即排放量。
系统检测工作时，首先Pt10受热升温，Pt200用于感应被测气体温度，当气流通过流量传感器时，Pt10被冷却，温度下降，其电阻值随之减小，电流增大，并且气体流速越快，电流越大。再通过取样电阻采集，将采样的数据经过放大和模数转换，传送至到单片机，再经单片机处理，从而得到气体流量速度，并通过显示部分显示出来。
2.全电路分析
TLE4275-Q1输出一个稳定的5V电源，提供给后续电路供电。在电路开启时，PT10被加热到高于PT20015度，此时电桥处于平衡状态。当有汽车尾气流过时，尾气会带走PT10的温度，从而温度被改变，电阻值随之改变，因而导致测速端电压改变，从而电桥平衡被破坏，运放OP117输出端电压上升，从而LM317的ADJ的电压上升，而ADJ电压上升后使输出端VO电压上升，经过反馈电路使流过的测速端电阻的电流急剧增加，从而造成其温度升高，电阻变小，测温端的电压随之改变，电桥重新回归平衡。当温度升高到运放的同相端和反相端的电压相同时，电流稳定，电桥平衡，就停止加热。通过测量PT200电流的变化，根据热交换平衡原理就可以得出气体的流速。将检测的PT200电流数据经过通过放大器LMV822M将信号放大，经A/D转换电路转换成数字信号送入单片机，经单片机内部计算和处理后，最后送入存储芯片MB84RC64保存和显示界面显示。
3.结语
通过实验验证，检测的数据非常精确。通过组态模式控制修正，借助相关设备，还可以可修正有害物排放系数、排气管内径。
该仪器可用于汽车检测中心对汽车尾气排放量的检测和监控。整个测量系统结构简单，无可动部件，抗震性能好，采用直插式检测法，检测数据精确，汽车的震動和高温压对测量不影响。检测仪还可以将检测的数据可动态保存，历史数据可查，可随时检测汽车尾气排放量的历史数据。
参考文献
[1]罗晶，陈平;热式质量流量计测量电路设计.仪表技术与传感器[J].2007[10]，128-130.
[2]唐明，赵志龙;热式气体流量计信号采集电路的设计与研究.测试技术学报[J].2014[2]，154-155.
[3]何凡帆;热式质量流量计在AP1000中应用.中国高新技术企业[J].2014[15]，35-37.
[4]莫 如健.恒功率与恒温差热式气体质量计比较.自动化博览[J].2010 [11]，58-60.
基金项目：2021年杭州职业技术学院校级科研项目《汽车尾气排放流量检测仪的设计与开发》 ky202132