CN104034378B - 恒流法热式气体质量流量计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种恒流法热式气体质量流量计，其传感器模块由速度探头铂热电阻R_w、温度探头铂热电阻R_c，以及两个与之串联的基准电阻R_a、R_b组成，输出四路电压信号，其特征在于，所述的流量计包括两个恒流源，精密基准电压源，信号调理模块，A/D采样模块，主控单元，信号调理模块4包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路信号送入A/D采样模块进行模数转换，传送至主控单元，由主控单元计算出流量值。本发明同时提供一种此种流量计的测量方法。本发明具有响应速度快、测量准确，硬件电路实现更为简单和不受环境温度影响等特点。

Description

恒流法热式气体质量流量计及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于恒电流法的热式气体质量流量计。

背景技术

对于传统的热式气体质量流量计，其测量方法主要分为两类：恒温差法和恒功率法。

热式流量计其基本结构如图1所示。

传感器核心部分由速度探头和温度探头组成，利用探头电阻值大小随温度变化关系并结合传热学原理来实现流量信号的采集。通过对速度探头通以一定电流加热，使之与管道中流过的气体产生强迫对流换热，换热量与质量流量成正比，从而实现流速测量；而温度探头则用于测量流体温度，实现温度补偿。

热式气体质量流量计的基本模型如公式(1)所示：

其中，q_m表示质量流量，I_w表示速度探头加热电流；R_w表示速度探头电阻；T_w为速度探头温度；T_c为流体温度；A₁、B₁为常数。

根据公式(1)，进一步分析可以得出热式流量计最基本的两种测量方法。当T_w-T_c＝常数时，质量流量q_m与加热电功率有一一对应关系，过拟合这两者之间的关系从而测量质量流量的方法叫做恒温差法。同样，当质量流量q_m与温差T_w-T_c有一一对应关系，通过拟合他们之间的关系从而测量质量流量的方法叫做恒功率法。

恒温差法系统框图如图2所示。主要包括五个部分：电桥部分、差分放大部分、PI控制器部分、静态电源偏置及加法器部分、功率放大部分(电流放大部分)。每一部分电路参数都需要正确匹配，尤其是PI控制器的参数设置，需要大量经验和实验，甚至仿真调试，因此，其电路实现和调试比较复杂。

另外，恒温法必须增加额外的温度补偿电路。而这是目前研究的难点，还没有厂家能够很好解决。

恒功率法电路实现比较困难，在热式流量计中很少被采用。其调节过程如图3所示。随着流量变化，带走的热量也变化，电阻R_w变化，电功率也因此变化，所以需要改变加热电流I_w，但是R_w也会随之而变，进而进入一个循环。所以，如何设计高效的控制电路和控制算法，使得保持恒定，是一个难题。尤其是，铂热电阻的热惯性很大，这就要求有很好的前馈控制，进一步增加了设计难度。

从以上分析可以看出，不管是恒温差法还是恒功率法，都需要设计高效的控制算法和控制电路，以实现温差或者功率恒定，这加大了硬件电路和软件系统的复杂性，而且也使得系统响应变慢。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有响应速度快、测量准确，硬件电路实现更为简单和不受环境温度影响等特点的恒流式热式质量流量计，并给出该流量计的测量方法，以实现质量流量的准确测量。

一种恒流法热式气体质量流量计，包括传感器模块，信号调理模块，A/D采样模块和主控单元，所述的传感器模块所述的传感器模块由速度探头铂热电阻R_w、温度探头铂热电阻R_c、与速度探头铂热电阻R_w串联的基准电阻R_a及与温度探头铂热电阻R_c串联的基准电阻R_b，根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，信号调理模块包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路电压信号送入A/D采样模块进行模数转换，传送至主控单元，由主控单元计算出流量值，其特征在于，所述的流量计还包括两个恒流源和一个精密基准电压源，两个恒流源分别为速度探头支路和温度探头支路提供恒定驱动电流，所述的精密基准电压源为速度探头支路的恒流源提供基准电压，并同时为采集速度探头和温度探头的A/D采样模块提供基准电压。

本发明同时提供一种所述的流量计实现的气体流量测量方法，包括下列的步骤：

(1)根据将调理后符合采样要求的四路信号，得每条支路的铂热探头探头电阻值，利用已知的探头温度系数获得速度探头温度T_w和温度探头T_c；

(2)利用公式下列计算拟合变量x：。

其中，λ表示空气的传热系数，是温度t的线性函数，通过查热力学手册中关于不同压力下干空气的热物理性质中的数据，可以拟合出不同温度下，空气的传热系数λ与温度的变化关系，采用一次多项式拟合即可得a，b两个系数值；R_w表示速度探头电阻；T_w为速度探头温度；T_c为温度探头温度；

(3)采用四次曲线拟合质量流量q_m与拟合变量x关系：q_m＝k₄x⁴+k₃x³+k₂x²+k₁x¹+k₀，其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄为各项系数；利用标准表做标定试验获取不同流量下的各项系数与拟合变量x的计算值，通过拟合即可得到k₀、k₁、k₂、k₃、k₄，即建立了质量流量q_m与拟合变量x之间的关系式；

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：电路实现容易、只需要恒流源加热，无需额外控制电路。

附图说明

图1是热式流量计基本结构；

图2是恒温差法系统框图；

图3是恒功率法调整过程示意图；

图4是本发明的恒流法下q_m-x拟合曲线；

图5是本发明的恒流法热式气体质量流量计框图；

图6是传感器模块。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

1)恒流法热式气体质量流量计理论推导

在图1的热式流量计基本结构图里可以看到,当管路通过一定流量的气体时,热式流量计速度探头和流过的气体发生热交换,在热式流量计达到平衡时，速度探头的加热电功率等于单位时间内流体带走的热量，根据传热学和电学理论可以得到下面的关系式，即：

hA＝hdπl (3)

其中，I_w表示速度探头加热电流；R_w表示速度探头电阻；h为强迫对流传热系数；A为速度探头热交换表面积；d为探头直径；l为探头长度；T_w为速度探头温度；T_c为温度温度探头测得的流体温度。

由传热学和流体理论，再次引入努赛尔(Nusselt)数和雷诺数：

λ＝at+b (5)

Nu＝CReⁿ (6)

其中，Nu为努赛尔(Nusselt)数；λ表示空气的传热系数，是温度t的线性函数，a，b为拟合系数，通过查热力学手册中关于不同压力下干空气的热物理性质中的数据，可以拟合出不同温度下，空气的传热系数λ与温度的变化关系，采用一次多项式拟合即可得a，b两个拟合系数值；常数C、n由实验数据确定，为热力学手册中给出的经验值；ρ表示流体密度；u表示流体速度；d₁表示管道直径；v表示运动粘度；η表示动力粘度；ρu组合表示质量流速。

联立公式(2)～(7)可得：

其中，取

从公式(8)可以看出，当以恒定电流I_w对速度探头R_w供电时，k为常数，质量流量q_m与拟合变量x之间有一一对应关系。采用四次曲线拟合质量流量q_m与拟合变量x关系，如公式(9)所示。

q_m＝k₄x⁴+k₃x³+k₂x²+k₁x¹+k₀ (9)

其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄通过拟合四次多项式得到。通过利用标准表做标定试验获取不同流量下的k与拟合变量x的计算值，通过拟合即可得到k₀、k₁、k₂、k₃、k₄，即建立了质量流量q_m与拟合变量x之间的关系式。

根据拟合得到的公式(9)即可应用到实际的流量计测量实验，求出质量流量q_m，此方法即为恒流法。其实验验证曲线如图4所示。

2)恒流法热式气体质量流量计电路结构设计

恒流法热式气体质量流量计框图如图5所示。主要包括以下六个模块：电压源模块1、恒流源模块2、传感器模块3、信号调理模块4、A/D采样模块5、主控单元6、人机接口模块7、保护电路模块8。

系统电源包括电压源1和恒流源2。电压源1包括通用电压源和精密基准电压源。通用电压源为电路中所有芯片提供供电电源；精密基准电压源为80mA恒流源和24位高精度A/D采样提供基准电压。恒流源2包括为温度探头支路提供电流的0.5mA恒流源和为速度探头支路提供电流的80mA恒流源。其中，80mA恒流源实测精度高达0.025％，电流方差为9.62E-04，实现了高精度和高稳定性设计。

传感器模块3非常简单，如图6所示，仅由速度探头铂热电阻R_w、温度探头铂热电阻R_c，以及两个与之串联的高精度低温飘基准电阻R_a、R_b组成，输出四路电压信号。利用串联精密基准电阻法，即使恒流源由于电路干扰或者其他故障导致电流出现小幅波动，或者电路中有其他干扰出现在I_w支路上，仍然不影响电阻值的测量。

传感器模块3输出四路电压信号，与之对应，信号调理模块4包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路信号送入高精度24位A/D采样模块5进行模数转换，然后通过SPI通信传送至主控单元6进行数字滤波等算法处理，计算出相应电压值和拟合变量x，最终根据公式(9)计算出流量值。

主控单元6选用MSP430单片机，其外围模块包括人机接口模块7和保护电路模块8。前者7又包括就地和远传两部分：就地包括液晶显示和按键通信；远传包括脉冲输出、RS485通信等。保护电路模块8主要为外扩看门狗和掉电保护电路等。

3)关键信号获取与采集

本部分结合图5进行主要信号采集的解释说明。

U_w、U_a、U_c、U_b：在图5中，可以看出，在传感器模块通过80mA恒流源和0.5mA恒流源分别对速度探头铂热电阻R_w和温度探头铂热电阻R_c加热，再经过信号调理电路，进一步经过AD采样和CPU处理，即可得到U_w、U_a、U_c、U_b。

在恒流法热式气体质量流量计理论部分已经推导出质量流量q_m、拟合变量x和k的计算公式，即

下面对其中涉及到的参数一一说明：

C、n由实验数据确定，采用热力学手册中给出的经验值；

η表示动力粘度，经查表可得；

d₁表示管道直径，为已知；

l表示探头长度，为已经；

λ表示空气的传热系数，经查表可得；

I_w、I_c表示速度探头和温度探头的加热电流，即本发明中所述80mA恒流源和0.5mA恒流源，在本发明中，利用U_a/R_a、U_b/R_b来进一步精确计算出其大小；

R_w、R_c表示速度探头和温度探头的铂热电阻值，其通过U_w/I_w、U_c/I_c计算得出。

T_w表示速度探头温度，通过制作探头时标定的铂热电阻Pt100的温度与电阻值的关系式得出；

T_c表示温度探头温度，即流体温度，通过制作探头时标定的铂热电阻Pt200的温度与电阻值的关系式得出；

a，b表示拟合系数，通过查热力学手册中关于不同压力下干空气的热物理性质中的数据，可以拟合出不同温度下，空气的传热系数λ与温度的变化关系，采用一次多项式拟合即可得a，b两个拟合系数值。

4)流量测量具体步骤

(1)通过电压源为电路供电电源；精密基准电压源为速度探头支路80mA恒流源提供基准电压，并同时为采集速度探头和温度探头的24位高精度A/D采样芯片提供基准电压；

(2)采用80mA恒流源和0.5mA恒流源分别为速度探头R_w支路和温度探头R_c支路提供恒定驱动电流；

(3)当管道中气体流量发生改变时，流过气体带走的热量相应发生改变，从而促使速度探头铂热电阻R_w阻值改变，传感器输出电压信号改变；

(4)探头输出电压值经过信号调理模块调理后进入24位高精度A/D采样模块进行模数转换，输出电压；

(5)标定数据：然后将转换结果通过SPI通信传送至单片机进行数字滤波等算法处理，计算出相应电压值和拟合变量x，根据标准表流量q_m与拟合变量x使用四次多项式拟合出两者之间的关系式系数；

流量q_m与拟合变量x之间有一一对应关系，通过下面的四次多项式拟合：q_m＝k₄x⁴+k₃x³+k₂x²+k₁x¹+k₀。

其中：在前面已有说明；

(6)在上一步经MCU计算得到流量值可以通过液晶就地显示和脉冲信号远传输出，供用户观察记录与输出，还可以通过按键和RS485通信实现人机对话；

(7)同时，看门狗和掉电保护等保护电路，使得程序能得以正常运转和数据不丢失，保证系统在整个过程中正常运行。

Claims (3)

1.一种恒流法热式气体质量流量计，包括传感器模块，信号调理模块，A/D采样模块和主控单元，所述的传感器模块所述的传感器模块由速度探头铂热电阻R_w、温度探头铂热电阻R_c、与速度探头铂热电阻R_w串联的基准电阻R_a及与温度探头铂热电阻R_c串联的基准电阻R_b，根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，信号调理模块包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路电压信号送入A/D采样模块进行模数转换，传送至主控单元，由主控单元计算出流量值，其特征在于，所述的流量计还包括两个恒流源和一个精密基准电压源，两个恒流源分别为速度探头支路和温度探头支路提供恒定驱动电流，所述的精密基准电压源为速度探头支路的恒流源提供基准电压，并同时为采集速度探头和温度探头的A/D采样模块提供基准电压。

2.根据权利要求1所述的质量流量计，其特征在于，所述的两个恒流源分别为80mA恒流源和0.5mA恒流源，前者为速度探头支路提供恒定驱动电流，后者为温度探头支路提供恒定驱动电流。

3.采用权利要求1所述的流量计实现的气体流量测量方法，其特征在于，包括下列的步骤：

(1)根据将调理后符合采样要求的四路信号，得每条支路的铂热探头探头电阻值，利用已知的探头温度系数获得速度探头温度T_w和温度探头T_c；

(2)利用公式下列计算拟合变量x：。

$x=\frac{1}{\mathrm{\λ}}\frac{R_w}{T_w-T_c}=\frac{1}{a(T_c-273.15)+b}\frac{R_w}{T_w-T_c}$

其中，λ表示空气的传热系数，是温度t的线性函数，通过查热力学手册中关于不同压力下干空气的热物理性质中的数据，可以拟合出不同温度下，空气的传热系数λ与温度的变化关系，采用一次多项式拟合即可得a，b两个系数值；R_w表示速度探头电阻；T_w为速度探头温度；T_c为温度探头温度；

(3)采用四次曲线拟合质量流量q_m与拟合变量x关系：q_m＝k₄x⁴+k₃x³+k₂x²+k₁x¹+k₀，其中，k₀、k₁、k₂、k₃、k₄为各项系数；利用标准表做标定试验获取不同流量下的各项系数与拟合变量x的计算值，通过拟合即可得到k₀、k₁、k₂、k₃、k₄，即建立了质量流量q_m与拟合变量x之间的关系式。