CN102519527B - 热式恒功率气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及热式恒功率气体流量计，包括温差生成部分、温差测试部分、零点校准部分、漏计补偿部分和微处理器，所述温差生成部分由一个发热件、一个发热源和一个控制电路组成，所述温差测试部分由温度传感件1、温度传感件2和温度/温差测量电路组成，两个温度传感件固定在杆式测量探头(15)的一端，与温度/温差测量电路(30)入端连接，温度/温差测量电路的出端与微处理器相连，适合于测试介质温度和两温度传感件之间与介质流速相关的温差后计算出对应的流量和流速，所述温差生成部分的发热件(45)与温度传感件2(20)放置在同一个金属套管的腔室内，并经控制电路(55)与发热源(50)连接，发热源(50)由外部电源供电，向发热件(45)提供恒定功率的热源，控制电路(55)还与微处理器相连，由微处理器指令控制发热源(50)与发热件(45)的接通或断开，所述零点校准部分和漏计补偿部分不需专用的装置、器件，由温差生成部分、温差测试部分和微处理器组合协调工作，实现零点在线自动校准或人工干预下的即时校准以及补偿校准过程漏计的流量，本发明成本低，精度高，性能稳定，结构简单。

Description

热式恒功率气体流量计

技术领域

本发明涉及流量计，更具体地涉及一种在线零点校准的热式恒功率气体流量计。

背景技术

热式流量计是工业和商业常用的一种流量计量装置。其原理是通过设置热源，利用介质流动的热传导关系，测量热源上被介质分子带走的热量，从而得到流过介质的质量。当前通常应用的典型结构如图1所示：有一个带热源的温度敏感件Rr和一个温度敏感件Rh，Rr和Rh通常是基准级的阻性温度敏感元件，与外部电路(电阻R1、R2和比较器A)组成恒温差电路，以期Rr和Rh之间的温差保持恒定，然后测量带热源的温度敏感件Rr上的功率耗散，来确定流过介质的质量。

因受方法、结构、器件等制约，以图1为典型的流量计至少存在以下不足之处或缺欠：1、应用中介质流速、温度、压力的变化及其他多种因素都会造成流量计的零点漂移，背景技术将因不能在线零点校准而产生计量误差；

2、带热源的温度敏感件Rr既作为加热的功率器件，又作为制造恒温差时的测量器件，会因被测气体温度、压力和流速不同产生附加误差；

3、两个温度敏感元件Rr和Rh采用基准级电阻式温度检测器，价格昂贵。

发明内容

如图2所示，本发明由温差测试部分、温差生成部分、零点校准部分、漏计补偿部分以及微处理器组成。

参照图3，可知应用中这几个的组成部分的具体方案：

温差测试部分，由一支杆式测量探头(15)、两支温度传感件(20)和(25)、一个温度/温差测量电路(30)组成，适合于检测与所述介质流速相关的温度信号和温差信号；

温差生成部分，由一个发热件(45)、一个发热源(50)、一个控制电路(55)组成。发热件与温度传感件(20)安装在同一腔室内，适合于使温度传感件(20)所处环境加热升温，进而使温度传感件(20)和(25)之间产生温度差；

零点校准部分，再由温差测试部分、温差生成部分和微处理控制器组成，适合于对温差测试部分的零点实施在线校准和校准完成后重新对发热件加热；

漏计补偿部分，适合于对零点校准、调整过程漏计的流量进行累计值补偿；

微处理器，适用于对温度、温差信号处理、流量数值换算修正、温差生成装置起停控制、零点校准以及累计值补偿的实施。

本发明解决了背景技术所述的缺欠，以简单的结构，低廉的造价实现了高精度、高稳定性的流量计量。

附图说明

图1是现行热式流量计的典型结构图

图2是本发明的总体构成图

图3是本发明应用的具体方案图

图4温差生成部分简图

图5温差测试部分简图

图6是温度/温差测量电路简图

图7是微处理器调零控制部分和漏计补偿部分的简化逻辑图

具体实施方式

以下说明参照本说明的附图以举例说明的方式示出本发明的具体实施方式。应当理解，采用其他的具体实施方式，或进行结构、电路、器件以及程序上的变化均不背离本发明的范围。

1、温差生成部分的构成和连接如图4所示。发热源(50)经过控制电路(55)与发热件(45)连接，发热源(50)始终提供一个恒定功率；控制电路(55)与微处理器的控制输出端口连接，发热件(45)与温度传感件(20)放置在同一个封闭的金属套管的腔室内，温度传感件(25)安装在与温度传感件(20)足够邻近的另一个封闭的金属套管腔室内。当微处理器发出停止加热指令时，控制电路(55)断开，由于温度传感件(20)和温度传感件(25)的安装距离足够接近，可认为处于同一温度环境，故两温度传感件之间温差ΔT为零；当微处理器发出加热指令时，控制电路(55)导通，发热源(50)以恒定功率对发热件(45)加热，使发热件(45)温度升高，进而温度传感件(20)和温度传感件(25)之间产生了温差ΔT。

由于加热功率恒定，没有介质流过时，温差ΔT’为一个固定的最大值。应用中，因介质流过温度传感件(20)时将带走一部分热量，使温差ΔT’降低至ΔT。ΔT与介质流速成反比，即流速越高带走的热量越多，ΔT的数值也就越低，流速越低带走的热量越少，ΔT的数值也就越高。

本发明就是依据温差ΔT与介质流速的这一对应关系，通过测取温差ΔT换算出流动介质的流速和/或流量。

2、温差测试部分的构成如图5所示。有两支不带热源的温度传感件(20)和(25)安装在探头(15)上，温度传感件(20)和(25)通过导线与一个温度/温差测量电路(30)连接，温度/温差测量电路(30)的输出端与微处理器数据输入端连接。

上述的温度/温差测量电路(30)是一个的复合电路，其构成如简图6所示出，具体实施方式如下：

温度传感件(25)通过导线与温度放大变换(85)连接，温度放大变换(85)的出口与微处理器连接，适合于将介质温度信息传送到微处理器换算出介质的实际温度T并予以储存，作为介质密度修正和判断是否需要调零的依据。温度传感件(20)和(25)通过导线与一个温差放大变换(80)连接，温差放大变换(80)的出口与微处理器连接，此时温度传感件(25)感受介质温度信息作为温差测试的基准，温度传感件(20)则感受加热并被流动介质带走部分热量后的温度信息，两个温度信息同时输入温差放大变换，则获得两温度传感件之间与介质流速相关的温差信息。

在本发明的具体实施方式的温度/温差测试电路(30)中，应用的是两个工业级的热敏式温度传感件，所用两个温度传感件规格型号相同，性能指标一致，连接导线的规格、材质、长度也相同，有效地消除了温差测试的系统误差以及漂移和干扰，温差测试精度高于所用温度传感件自身精度两个数量级以上。

本具体实施方式的温差测试部分，用工业级的温度传感件替代技术背景所述的基准级温度敏感器件，不但大幅降低制作成本，还能获得与技术背景所述的基准级温度敏感器件等同或更高的测试精度。

可以理解，无论采用其它不同技术细节的放大、变换电路，还是选用其它不同类型、不同精度等级的温度敏感件，都属上述温差测试方法包括的范围之内。

将温度/温差测试电路(30)测取的温度、温差信息传送至微处理器后，可借助符合标准的其它流量计和相应的标定设备，来标定出不同流速下所对应的不同温度、温差信息，获得n组V_i与对应的T_i和ΔT_i(i＝1，2，3……n)的离散数据。使用这套离散数据，用多元函数曲面回归的数学方法，拟合出流速与温度、温差计算关系的数学模型V＝F(T，ΔT)固化到微处理器内存，应用时每测得一组温度、温差，微处理器就用该数学模型计算出对应的流速和或流量。

应当说明的是，本具体实施方式按二元函数标定拟合数学模型，采用简单的一元函数或多于二元的多元函数的标定拟合，均属本方法包括的范围之内。

还需说明的是，本具体实施方式标定拟合的数学模型是以多项式函数形式表述的，用指数、对数等任何其它函数形式表达的数学模型，亦均属本方法包括的范围之内。

3、本发明的零点校准部分是由温差生成部分、温差测试部分、微处理器协同工作实现的，无需增设其它专用的零点校准装置和器件。

应用中介质物理性质的变化，测试环境的变化，电子器件性能的变化，以及其他许多因素的影响都会造成流量计零点漂移，进而产生有时甚至是很大的测量误差。

因为零点校准过程和漏计补偿过程是连贯进行的，故图7一并给出两个过程的逻辑框图，两个过程的具体实施方式也一并叙述如下。

本具体实施方式有两种零点校准方式，一种是手动即时方式，一种是自动校准方式，两种零点校准方式只是启动方式有所不同。

每当流量计接通工作电源后首先自动实施零点校准，因此初次安装或运行过程中任何需要零点校准时，只要接通电源或关断电源后重新供电，微处理器都会向温差生成部分的控制电路(55)发出零点校准的指令，进而完成了零点即时校准。

应当理解，采用微处理器复位或按键下达操作指令等方式启动零点校准程序，均在本具体实施方式范围之内。

自动校准方式是预先在微处理器中嵌入了零点校准的条件，应用中只要满足了嵌入的条件，微处理器便向温差生成部分的控制电路(55)发出零点自动校准的指令。

本具体实施方式嵌入的条件包括：

累计运行时间是否到达某一设定值；

介质温度是否高于某一设定值或低于某一设定值；

介质流速是否高于某一设定值或低于某一设定值。

显然，嵌入其它与流量计工作相关的外部环境，介质状态以及流量计自身状况等作为启动零点自动校准的指令，均属于本方法涉及的范围。

无论是手动即时方式，还是程序控制的零点自动效准方式，接到微处理器后，零点校准的过程同样都是按以下步骤进行：

(1)零点恢复：启动零点校准程序后，微处理器中的流量测试程序中断，与此同时温差生部分的控制电路(55)呈断开状态，发热源停止对发热件加热，并且微处理器中的计时器开始计时1，计时1到时后，温度传感件(20)和(25)之间温差ΔT应当稳定，由于两温度传感件间距足够小，此时ΔT数值应当为“零”。

(2)零点校准：计时1到时后，不管ΔT飘移与否和飘移量值的大小或正负，微处理器都会启动内部调零程序消除偏差使ΔT的数值为零，零点校准完成。

(3)重新加热：完成零点校准后，微处理器下达加热指令，此时温差生成部分的控制电路(55)呈接通状态，发热源重新开始对发热件加热，微处理器中的计时器开始计时2。

(4)测取流量：计时2到时后，温度传感件(20)和(25)之间温差ΔT应是与当前流量相对应的一个稳定的数值。启动微处理器中的流量测试程序，测取温差ΔT计算出流量值Q，并储存至微处理器内存作为计算漏计累计值补偿的一项基础数据。

(5)漏计补偿：调用微处理器中的漏计补偿程序，通过零点恢复所用时间计时1、重新加热所用时间计时2以及步骤(4)校准后测算的流量Q，来计算出漏计流量ΔQ之后补加到累积流量中。ΔQ的计算关系式如下：

ΔQ＝(计时1+计时2)·Q

(6)重新运行：完成以上步骤的零点校准和漏计补偿后，微处理器重新启动流量测试程序，恢复常规的流量和/或流速的测试、计量。

Claims (9)

1.一种测量流动介质的在线校准流量计，所述流量计包括：

温差测试部分，由一支杆式测量探头(15)、第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)、一个温度/温差测量电路(30)组成，温度/温差测量电路(30)的输出端还与微处理器的信息输入端连接，适合于提供与所述介质流速相关的温度信号和温差信号；

温差生成部分，由一个发热件(45)、一个发热源(50)、一个控制电路(55)组成，发热件与第一温度传感件(20)安装在同一腔室内，控制电路(55)的控制信号输入端还与微处理器的控制信号输出端连接，适合于在微处理器的程序控制下，使第一温度传感件(20)所处环境加热升温或停止加热升温，进而使第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)之间产生温差或消除温差；

零点校准部分，通过微处理器接收温差测试部分提供的温差信号和控制温差生成部分加热升温或停止加热升温实现，适合于对温差测试部分的零点实施在线校准和校准完成后重新对发热件加热，校准过程包括：

(1)零点恢复：启动零点校准程序后，微处理器中的流量测试程序中断，与此同时温差生成部分的控制电路(55)呈断开状态，发热源停止对发热件加热，并且微处理器中的计时器开始计时1，计时1到时后，第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)之间温差ΔT应当稳定，由于两温度传感件间距足够小，此时ΔT数值应当为“零”；

(2)零点校准：计时1到时后，微处理器启动内部调零程序消除偏差使ΔT的数值为零；

(3)重新加热：完成零点校准后，微处理器下达加热指令，温差生成部分的控制电路(55)呈接通状态，发热源(50)重新开始对发热件(45)加热，微处理器中的计时器开始计时2；

(4)测取流量：计时2到时后，第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)之间温差ΔT’为与当前流量相对应的一个稳定数值，启动微处理器中的流量测试程序，测取温差ΔT’计算出流量值Q，并储存至微处理器内存作为计算漏计累计值补偿的一项基础数据；

漏计补偿部分，适合于对零点校准和重新加热过程漏计的流量进行累计值补偿，漏计补偿过程包括：调用微处理器中的漏计补偿程序，通过零点恢复所用时间计时1、重新加热所用时间计时2以及零点校准后测算的流量Q，来计算出漏计流量ΔQ，并补加到累积流量中，其中ΔQ的计算关系式为：ΔQ＝(计时1+计时2)·Q；

微处理器，适用于对温差测试部分温度、温差信号换算修正以及温差转换成流速的换算修正、温差生成部分的起停控制、零点校准以及对累计值漏计补偿的实施。

2.根据权利要求1所述的在线校准流量计，其特征是：所述发热源对发热件提供恒定的加热功率。

3.根据权利要求1所述的在线校准流量计，其特征是：所述发热件是温度性能稳定的阻性元件。

4.根据权利要求1所述的在线校准流量计，其特征是：所述控制电路的简单结构是一个程序控制开关。

5.根据权利要求1所述的在线校准流量计，其特征是：所述温差测试部分由温度测量电路(80)和温差测量电路(85)组成，第二温度传感件(25)采集的信号输入温度测量电路，从而输出气体温度测量值T，第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)的信号同时输入温差测量电路，从而直接输出温差信号ΔT。

6.根据权利要求5所述的在线校准流量计，其特征是：所述第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)规格型号相同，二者性能指标一致。

7.根据权利要求5所述的在线校准流量计，其特征是：所述第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)是热电偶、热电阻、或者二极管。

8.根据权利要求5所述的在线校准流量计，其特征是：所述第一温度传感件(20)和第二温度传感件(25)是晶体管。

9.根据权利要求1所述的在线校准流量计，其特征是：所述流量计是通过测试介质温度T和两支温度传感件测得的温度和温度差ΔT后，通过标定，用多元函数回归方法建立流速与温差的对应关系Q＝F(T，ΔT)固化于微处理器内存，应用时由微处理器依此对应关系换算得出介质流量Q。