热式气体流量计（精选4篇）
热式气体流量计 篇1
1 引言
随着社会的发展,气体流量计越来越广泛的应用于工业生产、能源计量、环境保护工程、管道运输、生物技术等应用领域[1]。是发展工农业生产,节约能源,改进产品质量,提高经济效益和管理水平的重要工具,在国民经济中占有重要的地位。
2 总体方案
热式气体流量计采用microchip公司的18系列PIC18F4580作为处理核心[2],构建PIC18F4580应用电路,信号采集电路,仪表盘显示电路,485通信电路,电源电路,PWM输出电路,调试仿真接口。如图1系统框图所示。
系统上电后,先由处理器复位并进行系统软硬件初始化,显示初始化。仪表设置有2个独立按键,通过按键控制仪表头显示的内容及控制系统复位。同时,系统也可以通过485通道同上位机通过通讯协议进行标定及显示内容的切换,或通过系统的PWM输出实现远程显示与监控。
3 硬件设计
本实验采用两个Pt热敏电阻,分别作为流量传感器和温度传感器。信号采集是利用由2个热敏电阻[3]和2个精密电阻组成的惠斯通电桥,电压放大电路,负反馈电路构成的信号产生模块,实现对流量大小的检测。由于流量计设计为恒压差式流量计,即在任何时候,流量传感器的温度都比此时的速度传感器温度高100℃;当气体流速为零时,能够采集到一个零点电压,每一流量对应一定的采集电压值,通过此种方式对流量计进行标定[4],并存储在PIC18F4580的内部EEPROM中,在系统上电复位后,将数据读出,以便后续测量流量使用。
通讯模块采用RS-485通讯协议,通过处理器RX、TX引脚与LBC184相连,引出两根485总线,与上位机通讯。RS-485标准[5]采用差分信号传输,能有效消除共模干扰,且传输距离可达1200m,抗干扰能力较强,能进行有效的数据传输,广泛应用于工控领域。
人机接口电路包括2个独立按键和1个12864模块组成的显示屏。其中RE3、RB0分别接一个独立按键,实现复位和显示内容的切换等功能,其中RE3引脚连接的按键为手动复位,RB0按键的引脚设置为中断模式。12864显示模块通过5个端口与微处理器相连,以便及时更新系统要显示的内容。
4 软件设计
热式气体流量计的软件设计主要是指微处理器PIC18F4580程序的编写及上位机通讯软件的设计,软件运行的目标是通过RS-485与流量计通讯,先对流量计进行参数标定,使流量计能正常工作,同时方便远程监控与调节。
4.1 主程序
主程序流程图如图3所示,系统初始化包含时钟初始化,GPIO配置,中断配置,显示初始化,EEPROM初始化。系统开始运行后,每1秒中都会对相应的采样点进行分析,计算当前流量,并在12864显示屏上显示当前流量。
4.2 中断程序
中断程序包括串口中断,定时器中断及按键中断,他们的优先级配置如表1所示,串口中断用于传感器与上位机通讯,标定,远程监控;独立按键中断可以现场进行显示内容的切换;定时器中断主要应用与信号的采集,12864屏幕显示的控制。
5 系统调试
系统上电后,用PICkit3-STD仿真调试器对主控芯片进行在线编程与调试,调试完毕,切换烧录模式,将程序烧进主控芯片。通过标定仪器对热式流量计进行流量标定。将各部件组装过后,及形成如图4所示热式流量计。流量计主要有探头和仪表盘组成。测量管道气体流量时,将探头安装在合适的法兰盘上,探头插入管道中,调节探头深度使探头位于管道中心,管道测量直径为80~2000mm。仪表显示屏显示当前流量或总质量,可以通过上位机切换显示,如图5所示。
6 结束语
基于PIC18F4580作为系统的主控芯片,芯片内部自带256k的EEPROM空间,可用于存储掉电时需要存储的总量,标定电压、流量等数据;芯片内部有8路10位的A/D转换通道,可以用来采集所需的流量信号,从而减少外围元器件的设计,且精度可达5mv。实际验证表明,基于PIC18F4580设计的热式流量计,具有较高的测量精度[6],使测量误差控制在1%以内,具有良好的重复性和稳定性,同时,预留有远程监控接口,方便对管道内的工作情况进行远程监控和显示。
摘要：采用microchip公司的pic18f4580芯片设计的热式气体流量传感器仪表,包括了4580应用单元,信号采集,串口通信,电源,热敏Pt探头等单元。随着气体流量的增加,带走热敏探头表面的热量也会增加,为维持系统平衡,启动加热电路对热敏探头加热;气体流量越大,加热电流也会越大,采集到的信号量也越大。该仪表还可以通过串口与上位机通信,实现远程监控与操作,具有良好的市场前景。
关键词：pic18f4580,热式气体流量计,Pt热敏电阻,远程监控
参考文献
[1]史秀丽,张宏峰,李文鹏等.流量计量在工业上的应用及其重要性[J].工业计量,2006,(2):148-149.
[2]王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京航空航天大学出版社,2002:143-152.
[3]戴克忠,李伟.热敏电阻式风速表[J].工业计量,2006,(2):148-149.
[4]蔡武昌,孙怀清,纪纲.流量测量方法和仪表选用(第一版)[M].北京:机械工业出版社,2001:20-23,143-153.
[5]范逸之.Visual Basic与RS232串行通讯控制[M].北京:中国青年出版社,2000.
[6]张成刚.智能户用热量表的研制与开发[D].济南:山东大学,2002.
基于恒电流热式质量流量计的研究 篇2
在石油工业生产中,在石油的采集、处理、储存及销售等过程中,有很多会涉及到数百万计单位的流量计。其中,有些涉及到的结算量是一个巨大的数字,所以对其的测量、控制精度和可靠性要求都十分严格[2]。而目前适用于石油类聚合物测量的流量计也有很多,常用的大致分为以下几类: 差压式流量计、容积式流量计、涡街流量计、叶轮式流量计、超声波流量计、电磁流量计和质量流量计。热式质量流量计属于质量流量计的一种。 目前应用的热式质量流量计大多都使用恒温差测量方法,这种方法随着介质流量的增加,对测速铂热电阻加热能量的需求就越大,这不仅使得测量响应慢还加大了对测量电路功率的要求。由于受到本身功率和测速铂热电阻最大允许电流的影响,其最大可测量流量受到限制[3]。
笔者提出一种恒电流测量方法,对测速铂电阻给一个恒定的电流进行加热,这比恒温差测量方法具有如下优点: 最大可测流量范围大、不易受到脏湿介质的影响、能够对温度变化进行自动补偿及更适合耐高温方面的流量测量等。
1恒电流式质量流量计工作原理1
在待测流体管路中设置两个铂电阻,分别对其通入大小不一的电流,从而可以利用测出铂电阻的温度来得到流体的流量[4]。对其中一个铂电阻加入较小的电流( 一般为4m A以下) ,利用铂电阻与温度的线性特性,能够测得被测流体的温度, 称之为测温电阻; 对另一个铂电阻加以恒定电压输出的较大电流( 一般在50m A以上) ,铂电阻会自身发热使其温度高于被测流体温度,由于流量的变化能够带走铂电阻的热量,从而测出该铂电阻的温度变化,根据热扩散原理,测速电阻被流体带走的热量与两个铂电阻的温度差、流体的流速和流体的性质有关,从而可以得到流体的流量,称该铂电阻为测速电阻[5]。恒电流质量流量计原理如图1所示。
恒电流测量电路的总体框图如图2所示。流量测量电路实现了保持电流恒定的目的,当流体的流量发生变化时,使得测速电阻温度变化、铂电阻阻值将变化,导致电流变化,控制电路测量出不平衡电压,通过PI控制电路反馈控制输出电压使得加热电流保持不变。电路测量出测速电阻与测温电阻的温度,通过公式计算能够求出对应的质量流量,再显示( 或传输) 给其他设备[6]。
在流体静止时,设定测速电阻温度比测温电阻温度高出一个恒定值,由金氏定律可知,当测速电阻的温度达到稳定时,其测速电阻消耗的功率等于管道中的流体通过测速探头时进行热交换所携带的热量[7],即:
式中A ———铂电阻的表面积,由于铂电阻为圆柱体,因而A = πld;
d ———探头直径;
h ———对流换热系数;
l ———金属探长度;
Tf———测温电阻温度;
Tw———测速电阻温度;
ΔT———铂电阻探头与流体间的温差。
只要能确定流体的对流换热系数h,即可利用式( 1) 确定传热的热平衡关系。根据传热学研究并引入:
式中Cp———流体比热容;
V ———流体流速;
λf———被测流体热导率;
η ———动力粘度;
ρ ———流体密度。
以上3个为无量纲参数。对流换热系数与流体流速、物性参数的关系可以Nu = f( Re,Pr) 方程表示。
由此,热平衡关系为:
式( 2) 没有给出具体的函数关系,故不能直接使用。要想确定流体流量与热量之间的具体关系,一定要找到正确的Nu = f( Re,Pr) 具体表达式。根据Kramers( 1946) 提出的换热公式:
将式( 3) 代入式( 2) 得:
笔者设将其代入式( 4) 即可得出金属探头的对流换热公式:
由于铂电阻Pt100在0 ~ 100℃温度范围内电阻随温度变化具有较强线性度,因此得到铂电阻的阻值与温度间的表达式PPt100= 100 + 0. 39t; 因此式( 5) 中的( Tw- Tf) 可以用电阻来表示:
式( 5) 可化简为:
由式( 7) 可以看出,当流体温度Tf不变时,被测流量qm可以由测速电阻所消耗的电功率I2wRw和两个铂电阻的温度差( Tw- Tf) 求出。若温度差和流量任一参数不变时,流量qm就是另一个参数的函数。若提供恒定温差( Tw- Tf) ,则可以通过求得速度探头的功率来得到流体的流量qm; 若提供速度传感器的恒定电流Iw,则可以通过求得速度传感器的温度Tw来得到测速电阻Rw,从而能够得到流体的流量qm。
由式( 7 ) 仿真出的图像如图3所示。可见,使用恒流测量法测量流体质量流量时,对于0. 0 ~ 0. 2kg / h区间内流量计具有较好的采样温度灵敏度,对于0. 2kg /h以上区间斜率趋近无穷,即采样温度的灵敏度过低,因此恒流式流量计能够满足对于小流量的测量精度要求。
2实验数据分析
根据测量原理,设计实验台,进行不同情况的流量测量。实验系统利用离心式水泵从储水箱中抽出被测流体,在测量流段接入已校准的孔板流量计,被测流体可以利用手动调节阀来进行流量的改变。实验台设计如图4所示。
实验结果见表1。可见,笔者所设计的流量计与涡轮流量计的测试结果相比误差最大不超过2% ,满足工程精度要求,具有良好的性能。
3结束语
在热式质量流量计的测量方法中,最常用的为恒温差测量方法,但这种方法的测量响应时间长、精确度差,对于测量电路具有很高的功率要求,测量范围受限。笔者根据热式流量计的测试原理,提出了恒电流式质量流量计,通过理论推导与实验得知,该流量计具有重复性好、灵敏度高及精确度高等优点。
摘要：在分析常用流量测量方法存在缺陷的基础上,结合热式质量流量测量方法的基本原理,提出了恒电流法进行质量流量的测量。通过分析恒电流法的原理及其测量公式,并且设计实验对质量流量计的原理进行验证,将实验结果与标准流量计进行对比,结果表明:在严格控制功率的条件下,质量流量计具有较好的测量精度。
热式气体流量计 篇3
随着汽车发动机节能减排指标的不断提升, 对发动机的各工况空燃比控制精度的要求也逐步提高。为此, 在开发发动机燃油喷射量精确控制技术时, 越来越重视空气流量计测量精度和流量等性能指标。空气流量计的格栅对进气空气具有梳理的作用, 对精确测量空气质量有不可替代的辅助作用;但格栅对进入的空气有阻力, 可能减少空气的进入量, 兼顾流量和精度优化格栅相对于金属丝角度是本文中研究和探讨的重点, 目前国内外还未有相关的文献报道。本文中在自行开发的汽车空气流量计测试系统上采用试验的方式进行研究, 试验结果对空气流量计设计与开发提供了支持。
1 空气流量计及格栅结构
热式空气流量计包括热线式空气流量计和热膜式空气流量计, 本文中以热线式空气流量计为对象进行试验研究。热线式空气流量计 (以下简称为流量计) 主要由空气流动管道和控制线路板组成, 如图1所示。其中, 空气流动管道包括格栅、金属网、壳体等部件;控制线路板主要有铂丝、电阻、控制线路等部件。格栅设计在空气的入口端, 格栅内放置有金属网［１－４］。格栅结构主要是相互垂直的栅条构成的圆柱体, 每个格栅呈正方体 (圆柱体附近除外) , 如图2所示。其中, x为格栅的长度, m;b为格栅宽度, m;l为格栅高度, m。金属网由几微米的金属线编织, 金属网格也呈正方形, 每个网格的面积是格栅面积的1/4, 如图3所示。
2 试验过程
2.1 试验设备
试验用主要设备为汽车热式空气流量计性能检测系统, 该系统是生产线上测试流量计流量与电压关系的系统, 是保证流量计质量的关键设备。
该系统主要由流量控制模块 (风机、变频器、信号调理电路等组成) 、参数测试与数据采集模块、上位机控制软件和机械装置 (检测管道及快速夹紧装置) 等部件组成, 具体结构如图4所示。
上位机软件通过数据采集卡将指令信号输送给风机, 经信号调理电路处理后将该信号发送给变频器;变频器接收到该信号后根据转速指令控制风机转速, 在空气流动检测管道内产生所设定空气流量, 以此模拟汽车发动机进气管道内的空气流量环境。上位机软件对采集到的信号进行综合分析处理, 最终获得被测流量计流量和精度。系统按照用户事先设置多个测试流量点, 在上位机软件控制下自动重复执行完成上述过程［５］。
2.2 被测流量计
被测流量计的主要技术参数见表1。
2.3 试验准备
研究主要是在汽车热式空气流量计性能检测系统上测试流量计的格栅相对角度的变化对空气流量和精度的影响。
按照说明书安装了风机、变频器、标定流量计、快速夹紧装置、检测管道、上位机及其辅件。装夹被测流量计 (表1) , 启动汽车流量计测试系统, 风机转动, 整个测试系统空运行1h, 待外部空气环境等稳定后, 开始准备测试。在上述正式测试之前, 对格栅相对角度为0° (图3 (a) ) 时的流量计进行测试, 检测所得到的数据须在标准流量误差±3%范围内, 否则替换被测流量计, 直至达到标准误差以内。然后, 开始测试, 对该流量计进行不同风机转速下格栅相对角度为0°时的流量测试, 测试结果误差都在±3%范围内后, 准备工作完毕。
表2为风机转速500~2500r/min范围格栅相对角度为0°时所测的数据。由表2可见, 被测流量计与标准流量误差最小为1.25%、最大为1.88%, 说明被测流量计为合格产品, 可以完成格栅相对角度对流量计流量和精度影响的测试工作。
试验时, 格栅相对角度α (图3 (b) ) 设定为0°~360°范围, 步长为15°。
3 试验结果
3.1 风机转速为500r/min时格栅相对角度对流量计流量和精度影响
图5为风机转速500r/min时, 随着格栅相对角度变化, 被测流量计的流量和精度的变化情况。由图5 (a) 可见, 流量图呈现出菱形, 在0°、90°、180°、270°点流量最大, 其他角度的流量相对较小。从图6看出:在0°、90°、180°、270°点的流量计精度最高, 其附近 (±2°左右) 的流量精度及其他角度精度相对较低。
3.2 风机转速为1500r/min时格栅相对角度对流量计流量和精度影响
图6为风机转速1500r/min时, 随着格栅相对角度变化, 被测流量计的流量和精度的变化情况。由图6 (a) 可见, 流量图呈现出菱形, 0°、90°、180°、270°点的流量最大, 其他角度的流量相对较小。由图6 (b) 可见, 在0°、90°、180°、270°点和附近 (±2°左右) 的流量计精度最高, 其他角度精度较低。
3.3 风机转速为2500r/min时格栅相对角度对流量计流量和精度影响
图7为风机转速2500r/min时, 随着格栅相对角度变化, 被测流量计的流量和精度的变化情况。由图7 (a) 可见, 流量图呈现出菱形, 0°、90°、180°、270°点的流量最大, 其他角度的流量相对较小。由图7 (b) 可见, 在15°、105°、195°、285°点及其附近 (±2°左右) 的流量计精度最高, 其他角度精度较低。
4 试验结果分析
空气在流量计管道内高速流动, 格栅和金属网对空气流动产生极大影响。
空气在格栅和金属网运动受到摩擦阻力和压差阻力。格栅是正方体, 空气流过格栅相当于在平板上流动, 主要考虑摩擦阻力和压差阻力;空气通过金属网相当于空气绕过圆柱体, 且金属丝直径很小, 只考虑压差阻力, 摩擦阻力可以忽略。
格栅和金属网对空气流动的层流程度作为判定流量计精度的标准。格栅和金属网对空气流动梳理得越好, 层流程度越高, 空气越稳定, 流量计测量精度越高。
4.1格栅相对角度对空气流量计流量影响分析
根据判别流态的准则及格栅结构可得:
式中, n为风机转速, r/min;x为格栅的长度, m。
通过式 (1) 计算可得Re<5×10５, 说明空气通过格栅平板面时始终是层流, 在同一风机转速下, 格栅面上对空气的摩擦阻力不变。
对于压差阻力:
式中, FＤ为空气所受的阻力, N;ρ为空气密度, kg/m３;υ∞为空气的速度, m/s。
对于格栅:
式中, A为迎风面积, m２。同一风机转速下, 格栅的压差阻力不变。
对于金属丝:
式中, d为金属丝直径, m;l为金属丝长度, m。
由式 (2) 可知, 格栅与金属丝相对转动 ɑ, 金属丝的迎风面积发生变化, 对空气流量有影响。ɑ 从0°~90°变化, 空气阻力从小变大又从大变小, 同一风机转速下, 在0°~90°范围内, 空气流量计流量按正弦变化, 试验结果也证实这一点。
4.2 格栅相对角度对空气流量计精度影响分析
空气在格栅面上的流动属于层流状态, 具有稳流作用。风机转速的增加, 格栅的压差阻力逐步显现出来, 在格栅背流面产生紊流, 紊流的范围在逐步扩大, 金属丝对格栅背流面的紊流梳理作用加大。风机转速为500r/min时, 由式 (1) 计算得Re=21, 此时空气只是在背流面产生涡流;当ɑ=0°时, 金属丝对格栅背流面的涡流有梳理作用, 流动稳定;当金属丝一旦离开格栅背流面 (ɑ>0°) 时, 格栅背流面涡流没有金属丝对其梳理, 背流面流动不稳定, 对精度产生影响。风机转速为1500r/min时, 由式 (1) 计算得Re=63, 此时背流面的对称涡出现摆动;当ɑ=0°时, 金属丝对对称涡梳理作用不大, 流动不太稳定;ɑ>0°时, 金属丝对对称涡起梳理作用, 背流面流动稳定, 可以提高精度。风机转速为2500r/min时, 由式 (1) 计算得Re=105, 此时背流面的漩涡周期性地交替脱离格栅, 形成两排向下游运动的涡列, 并有向紊流过渡趋势;当ɑ=0°时, 金属丝对两排向下游运动的涡列没有梳理作用, 流动不太稳定;ɑ 转过某角度, 金属丝对向下游运动的涡列进行梳理, 背流面稳定流动, 精度提高［６］。
5 结论
(1) 格栅相对角度对流量计的流量和精度都有影响, 格栅相对角度为0°、90°、180°、270°时流量计流量为最大;流量计的精度随着风机转速和ɑ 变化有微小改变。从流量角度看, 格栅与金属网平行或垂直为最好。从精度的角度来看, 精度随风机转速和ɑ 有变化。从流量和精度两方面兼顾考虑对ɑ 进行优化。
(2) 汽车常工况转速范围为2000~3000r/min, 格栅相对角度ɑ 以转速2500r/min时为最佳, 即ɑ=13°~17°, 既保证了精度较高又兼顾流量较大。
参考文献
[1]王春晓.车用热模式空气质量传感器的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2008.
[2]唐桂华, 陶文铨, 何雅玲, 等.微细管内气体流动特性实验研究及影响因素分析[J].工程热物理学报, 2004, 25 (6) :1025-1028.Tang G H, Tao W S, He Y L, et al.Fine tube experimental study of the gas flow characteristics and influencing factors[J].Journal of Engineering Thermophysics, 2004, 25 (6) :1025-1028.
[3]李长武, 梁国伟.热线式空气流量传感器应用于汽车发动机的研究[J].测量与设备, 2004 (11) :5-6.Li C W, Liang G W.Study of hotline air flow sensor used in automobile engines[J].Measurement and equipment, 2004 (11) :5-6.
[4]庞佳涵, 花向阳, 杨振中.热线式空气流量计的研究[J].节能, 2003 (7) :10-12.Pang J H, Hua X Y, Yang Z Z.Study of hot wire air flow meter[J].Energy Conservation, 2003 (7) :10-12.
[5]薛光明, 郑伟, 姚喜贵.汽车空气流量计在线检测评价系统的设计与研究[J].内燃机工程, 2010, 31 (3) :95-99.Xue G M, Zheng W, Yao X G.Design and research on online testing and evaluating system of mass air flow of car[J].Internal Combustion Engine Engineering, 2010, 31 (3) :95-99.
热式气体流量计 篇4
1 试制前准备
1.1 优化元件结构设计
设计采用直热式结构,减小元件体积,降低元件功耗。由于材料特性的限制,传统旁热式结构因需要较高的加热温度,所以不得不采用陶瓷管内引入加热电极以获取较高的工作温度。此种方式虽然保证了产品良好的工作温度,但带来的问题是:体积庞大,结构复杂;需要独立的加热电极,造成产品装配布线结构更复杂;稳定性差;制造成本高,元件寿命短;生产工艺复杂,流程多,质量过程控制难度加大;功耗高。直热式金属氧化物半导体传感器采用直接加热工艺,使元件加热和敏感电极实现共用,两只电极可以同时采用同一电源,电极通过材料敏感珠连为一体, 使加热电极和敏感电极同时工作,元件体积大大减小,功耗大大降低。
(1) 通过采用铂丝代替Ni-Gr丝加热,产品的工作温度的稳定性大大加强 ,产品寿命显著提高。铂丝是一种稳定金属,实验发现,在高温环境下,其稳定性远比Ni-Gr丝更稳定。
(2) 经反复实验后采用直接加热结构的0.30 mm直径元件敏感珠,既保证了元件催化所需要的合适功率,又确保了产品制造后的最终体积和结构。颠覆性地解决了旁热式气敏元件体积庞大、加热功耗过大的弊端,提供了一种新颖的气体敏感元件结构。
1.2 基础敏感材料纳米化
在制备基础材料SnO2时,在传统的沉淀滴定法的基础上,通过改变滴定速度、反应温度、搅拌速度和添加适量合适的添加剂,来改变反应生成SnO2材料晶体结构,使SnO2晶体直径更加小,达到纳米级,实现基础材料纳米化。纳米材料由于其非常大的比表面积,比块状材料有更优异的气敏性能。纳米气敏材料具有:灵敏度高,选择性好,响应迅速,工作温度低,受环境影响小等突出优点。其制备过程与传统材料制备有本质的不同,主要制备过程为: SnO2制备用液相沉淀法、微乳液法,采用分析纯的SnCl4和NH3·H2O及添加剂在特制的装置中进行反应,生成纳米级的Sn(HO)4,然后再进行烧结,得到纳米级的SnO2晶体。该法得到的产物粒径较小、分布均匀、稳定性高、重复性好,易于实现高纯化。利用该法得到的敏感材料,其粒径大小可控制在几至几十纳米之间。敏感材料的配制,按照配方用精度是0.1 mg的电光分析天平精确称量出各成分所需的药品的质量,依次加入玛瑙研钵中进行研磨,研磨至各组分混合均匀为止。
1.3 生产工艺流程的优化
传统的直热式元件在生产工艺上一般都是先用铂丝绕好加热丝,再用一段直的铂丝插到环形加热丝中间,将调好的敏感料涂在加热丝环上,形成敏感材料珠,干燥、烧结后焊接到三脚底座上,老化、测试,封帽包装。按照传统工艺生产,在涂料的时候由于直的那段铂丝没有任何依托,在涂料过程中很容易出现这段铂丝和加热丝相连的现象,给生产带来很大的困难。为了避免这一现象,必须要对传统的生产工艺进行优化,经过反复试验,采取先焊接后涂料的方式来解决这一问题。经过优化的工艺流程如下:
2 试制元件
按照已经确定的工艺流程进行试生产,具体过程如下:
(1) 材料制备:敏感材料以SnO2为基础材料,制备过程是氨水进入溶液中与Sn4+反应生成氧化物锡晶核,28 ℃～35 ℃的温度下生长、搅拌,然后依次加入双氧水和环乙烷,再加入氨水并控制溶液的pH=7～9,制成氧化锡沉淀,经过陈化,过滤,烘干,研细,再将其在高温煅烧1.5 h～2.5 h,获得SnO2超细粉末;将SnO2和添加剂MgO、Pd、In2O3,充分混合研磨后,用去离子水调成糊状,涂敷在预先烧制的铂丝线圈上,制成微珠式元件,将元件在空气中用高压老化1.5 h～2.5 h,电老化45 h～50 h。如果测试指标合格,则按照以上配方制得敏感材料。
(2) 绕丝:将铂丝在绕丝机上缠绕,控制好绕丝圈数确保阻值的准确性。把绕好的加热丝整理成所要求的形状。
(3) 焊接:将一段5 mm左右的铂丝压焊到底座中间的引脚上,抻直与引脚方向保持一致。取已整形的加热丝,穿在已焊好的铂丝上,摆好位置,使加热丝的环正好位于底座中间引脚的正上方,且与中间铂丝不接触,并焊接好。
(4) 清洗:以超声波清洗机加适量去离子水清洗焊接好的电极,并烘干。
(5) 涂料:用涂料笔将已制得的敏感材料涂在加热丝上。并用红外烘灯烘干。
(6) 高压老化:将元件插到高压老化板上,调整高压老化电源输出高压老化所需电压,进行高压老化,使敏感料固化,形成敏感料珠。
(7) 老化:将已高压老化好的元件插在老化板上,调整老化电源,输出老化所需电压,进行老化,使元件性能趋于稳定。
(8) 测试:将老化好的元件插到测试箱内,调整测试电压至工艺要求,密封测试箱。注入相应浓度的待测气体,测出传感器在7分钟中前和7分钟后的输出电压值,计算出元件的体阻和灵敏度。
(9) 封装:将测试合格的元件用压力机进行封帽。
(10) 回测:将已封装的传感器插在回测台上,用电阻测试仪表对加热丝进行测试,检验封帽过程中有没有加热丝断的现象。
(11) 包装:将已回测合格的元件用泡沫盒进行包装。
由于前期准备工作做得比较充分,以上试制过程很顺利,作出的元件经过和进口费加罗元件进行性能对比,结果表明,我公司生产的直热式气敏元件性能已达到或接近费加罗元件的水平,具体对比如表1。
4 试制总结与展望
通过以上试制过程,生产出来的气敏元件的性能基本达到了预期的指标,整个工艺流程在实际生产过程中运行流畅,基本与我公司实际情况相适应,适合工业化生产,此次工艺过程的开发是成功的。虽然生产出来的气敏元件主要性能已接近费加罗元件水平,但是也要看到和费加罗元件还存在不小的差距,比如:元件的长期稳定性和材料的牢固性都与费加罗元件有一定的差距,这需要在以后的生产实践中不断地总结,探索,才能逐步取得进展。
气敏元件属于高新技术产品,直热式半导体气体传感器及其应用产品具有十分广阔的现实市场和潜在的市场需求。据权威部门预测,该类产品每年正在以20%以上的增长速度成长,具有良好的发展前景。相信通过国内同行的共同努力,一定会在今后的时间里在气敏元件和敏感材料的制作上取得突破性成就,打破国外对此产品的技术垄断。
摘要：金属氧化物直热式气体传感器是一种功耗很低的气体传感器,本文叙述了金属氧化物直热式传感器的制作工艺研制的过程,并对该项技术的发展方向进行了展望。