CN105371909A - 一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，包括测量管、第一感温元件、第二感温元件、加热器线圈、温差转换电路以及加热电源；其中，加热器线圈和两个感温元件均绕在测量管的外壁上，加热器线圈绕在测量管的中间且该中间处的测量管外壁向外侧凸起，第一感温元件、第二感温元件分别位于加热器线圈的两边且相对称，加热器线圈与加热电源连接，第一感温元件和第二感温元件分别与温差转换电路连接。所述电源模块包括锂电池、控制电路、充电电路、短路保护电路、温度和过放保护电路、电压输出电路、电量显示电路；本发明没有可动部件、结构简单、维护方便，而且简化了测量过程，易于测量，降低了成本，适合于液体微小流量的测量。

Description

一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别是一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计。

背景技术

热式质量流量计（ThermalMassFlow----TMF)，利用流动中的流体与热源（流体中外加热的物体或测量管外加热体）之间热量交换关系来测量流量的仪表。TMF用的最多的有两类（用于气体测量）：1.热分布式流量计（thermalprofileflowmeter)，利用流动流体传递热量，改变测量管壁温度分布的热传导分布效应。这种质量流量计，曾称量热式流量计。2.金氏定律热式流量计（King’slawTMF)利用热消散（冷却）效应。这种流量计由于在结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型（immersiontype）或侵入型（intrusiontype）。按照热式质量流量计的原理，有的公司也推出了适用于液体微小流量测量的TMF。

冷却效应的插入式TMF国外近年在环境保护和流程工程工业中应用发展迅速。例如：水泥工业竖式磨粉机排放热气流量控制、煤粉燃烧过程粉/气配比控制、污水处理发生的气体流量测量，燃料电池工厂各种气体流量测量等等。大管道用还有径向分段排列多组检测元件组成的插入检测杆，应用于锅炉进风量控制以及烟囱烟道排气监测SO2和NO2排放总量。

液体微小流量TMF应用于化学、石油化工、食品等流程工业实验性装置。如液化气流量测量，注入过程中控制流量；高压泵流量控制的反馈量；药液配比系统定流量配比控制；还有在色谱仪等仪器上用作定量液取样控制以及用于动物实验麻醉液流量测量等等。

目前通用的气体流量计的原理是在管壁外设置热源，利用气体的流动的传热关系，测量热源上被气体分子带走的热量，从而得到对应流过的气体分子质量从而计算单位时间内的气体流量。现有的气体流量计一般进采用一个测量用的传感器，而实际测量过程中，气体的温度、压力等各种因素会对气体的传热系数产生影响，从而使测量零点发生漂移，造成了测量精度的降低。

在现代工业生产和科学实验中，为了有效地进行生产操作和控制工艺流程中各种物质的配比、监视管道输料系统的运行情况及进行油、气、水等能源的计量与经济核算，需要测量这些生产过程中各种介质的物理参数。其中，流体的流量是经常测量和控制的参数之一。为了满足社会的需要，经过人们的不懈努力，基于不同物理规律所开发的流量测量方法及装置已达一百多种。

TMF的特点——优点：1.可测微小流量，热分布式TMF可测量低流速（气体0.02~2m/s）微小流量；浸入式TMF可测量低~中偏高流速（气体2~60m/s）；插入式TMF适合于大管径；2.无活动部件；3.压力损失小，无分流管式的热分布式仪表无阻流件，压力损失很小；带分流管的热分布式仪表和浸入型仪表，虽在测量管道中置有阻流件，但压力损失也不大；4.热分布式仪表用于H2、N2、O2、CO、NO等接近理想气体的双原子气体，不必用这些气体专门标定。直接用空气标定的仪表，实验证明差别仅2%左右，用于Ar、He等单原子气体则乘系数1.4即可；用于其他气体可用比热容换算，但偏差可能稍大些（气体的比热容会随着压力温度而变，但在所使用的温度压力附近不大的变化可视为常数）。缺点：①响应慢；②被测气体组份变化较大的场所，因cp值和热导率变化，测量值会有较大变化而产生误差。③对于小流量，仪表会给被测气体带来相当的热量。对于热分布式TMF，被测气体若在管壁沉积垢层影响测量值，必须定期清洗；细管型仪表易堵。④对脉动流在使用上受到限制。液体用TMF对于粘性液体在使用上受到限制。

液体的质量流量是工业测量中及其重要的参数，随着液体系统向微小化方向的发展，对微流量质量流量计的需求也越来越多，但是常用的流量计难以直接应用于微流量测量系统中，测量的自动化程度不高、操作复杂。在一些特殊环境比如狭小空间、功率有限、微小流量即低流速(Ⅸl州s)、微小管道(壁厚1mm，内径由4mm)，宽温度范围(0℃～200℃)，传统的热分布式质量流量计无法进行测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，本发明没有可动部件、结构简单、维护方便，而且简化了测量过程，易于测量降低了成本，适合于液体微小流量的测量。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，包括测量管、第一感温元件、第二感温元件、加热器线圈、温差转换电路、加热电源以及电源模块；其中，加热器线圈和两个感温元件均绕在测量管的外壁上，加热器线圈绕在测量管的中间且该中间处的测量管外壁向外侧凸起，第一感温元件、第二感温元件分别位于加热器线圈的两边且相对称，加热器线圈与加热电源连接，第一感温元件和第二感温元件分别与温差转换电路连接；其中，

所述电源模块包括锂电池、控制电路、充电电路、短路保护电路、温度和过放保护电路、电压输出电路、电量显示电路；其中，所述充电电路的输出端与控制电路的输入端、锂电池的输入端分别连接，锂电池的输出端与短路保护电路的输入端连接、短路保护电路的输出端与温度和过放保护电路的输入端连接，温度和过放保护电路的输出端与电压输出电路的输入端连接，控制电路的输出端与电量显示电路的输入端连接，温度和过放保护电路与控制电路连接，锂电池与控制电路连接。

作为本发明所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计进一步优化方案，所述温差转换电路包括第一至第七电阻、第一至第三反馈放大器和三极管；其中，第一电阻的一端与第二感温元件的一端、三极管的发射极分别连接，三极管的集电极与电源连接，第一电阻的另一端与第三电阻的一端、第一反馈放大器的正输入端分别连接，第一反馈放大器的负输入端与第五电阻的一端连接，第五电阻的另一端与第一反馈放大器的输出端、第一感温元件的一端分别连接，第一感温元件的另一端与第四电阻的一端、第二反馈放大器的正输入端分别连接，第四电阻的另一端与地、第三电阻的另一端、第七电阻的一端、第二电阻的一端分别连接，第七电阻的另一端与第二反馈放大器的负输入端、第六电阻的一端分别连接，第六电阻的另一端与第二反馈放大器的输出端、第三反馈放大器的负输入端分别连接，第二电阻的另一端第三反馈放大器的正输入端、第二感温元件的另一端分别连接，第三反馈放大器的输出端与三极管的基极连接。

作为本发明所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计进一步优化方案，所述中间处的测量管外壁向外侧凸起为梯形。

作为本发明所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计进一步优化方案，所述加热器线圈为镍镉加热丝。

作为本发明所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计进一步优化方案，所述第一感温元件、第二感温元件均为铜丝线圈。

作为本发明所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计进一步优化方案，所述铜丝线圈为长度相等、阻值相等的铜丝线圈。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本发明通过改进管道结构，使得质量流量与管道冷热端温差之间的变化关系趋于简单线形化，易于测量；

（2）本发明没有可动部件、结构简单、维护方便，而且简化了测量过程，易于测量降低了成本，适合于液体微小流量的测量。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是电源模块结构图。

图3是温差转换电路示意图。

图中的附图标记解释为：1-测量管，2-第一感温元件，3-第二感温元件,4-加热器线圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1所示，一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，包括测量管1、第一感温元件2、第二感温元件3、加热器线圈4、温差转换电路以及加热电源、电源模块；其中，加热器线圈和两个感温元件均绕在测量管的外壁上，加热器线圈绕在测量管的中间且该中间处的测量管外壁向外侧凸起，第一感温元件、第二感温元件分别位于加热器线圈的两边且相对称，加热器线圈与加热电源连接，第一感温元件和第二感温元件分别与温差转换电路连接；其中，

图2是电源模块结构图，所述电源模块包括锂电池、控制电路、充电电路、短路保护电路、温度和过放保护电路、电压输出电路、电量显示电路；其中，所述充电电路的输出端与控制电路的输入端、锂电池的输入端分别连接，锂电池的输出端与短路保护电路的输入端连接、短路保护电路的输出端与温度和过放保护电路的输入端连接，温度和过放保护电路的输出端与电压输出电路的输入端连接，控制电路的输出端与电量显示电路的输入端连接，温度和过放保护电路与控制电路连接，锂电池与控制电路连接。

如图3所述是温差转换电路示意图，温差转换电路包括第一至第七电阻、第一至第三反馈放大器和三极管；其中，第一电阻的一端与第二感温元件R_c2的一端、三极管的发射极分别连接，三极管的集电极与电源连接，第一电阻的另一端与第三电阻的一端、第一反馈放大器的正输入端分别连接，第一反馈放大器的负输入端与第五电阻的一端连接，第五电阻的另一端与第一反馈放大器的输出端、第一感温元件R_c1的一端分别连接，第一感温元件的另一端与第四电阻的一端、第二反馈放大器的正输入端分别连接，第四电阻的另一端与地、第三电阻的另一端、第七电阻的一端、第二电阻的一端分别连接，第七电阻的另一端与第二反馈放大器的负输入端、第六电阻的一端分别连接，第六电阻的另一端与第二反馈放大器的输出端、第三反馈放大器的负输入端分别连接，第二电阻的另一端第三反馈放大器的正输入端、第二感温元件的另一端分别连接，第三反馈放大器的输出端与三极管的基极连接。

所述中间处的测量管外壁向外侧凸起为梯形。

所述加热器线圈为镍镉加热丝。在常见的金属里面，纯铜的导热性能最好，选取纯铜作为测量管道的材料，它在常温下的导热系数为398W／(m·℃)，加热丝选取型号为Cr20Ni80的镍镉丝，它在常温下的电阻比为11-32Q／m。

所述第一感温元件、第二感温元件均为铜丝线圈。所述铜丝线圈为长度相等、阻值相等的铜丝线圈。

加热器线圈设置在测量管的中央，它将管壁及管内的流体加热。在加热线圈两边对称位置绕有两个感温元件，测量与加热线圈对称的上、下游处管壁的温度。加热器线圈提供恒定的热量，通过线圈绝缘层、管壁、流体边界层传导热量给管内流体。边界层内热量的传递可以看作是由热传导方式实现的。在测量管道长度有限的情况下，经过理论计算，需要的加热丝无法全部紧密绕在普通测量管道上面，所以经过加工改良，将测量管中心加粗，这样加热丝就可以全部绕在管道中间凸起外侧。与管道接触部分要窄于凸起部分外侧，这是希望加热丝的热量就能够更加集中地传递到受热流体部分，以达到更好的加热效果。

本发明通过改进管道结构，使得质量流量与管道冷热端温差之间的变化关系趋于简单线形化，易于测量。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替代，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，其特征在于，包括测量管、第一感温元件、第二感温元件、加热器线圈、温差转换电路、加热电源以及电源模块；其中，加热器线圈和两个感温元件均绕在测量管的外壁上，加热器线圈绕在测量管的中间且该中间处的测量管外壁向外侧凸起，第一感温元件、第二感温元件分别位于加热器线圈的两边且相对称，加热器线圈与加热电源连接，第一感温元件和第二感温元件分别与温差转换电路连接；其中，

所述电源模块包括锂电池、控制电路、充电电路、短路保护电路、温度和过放保护电路、电压输出电路、电量显示电路；其中，所述充电电路的输出端与控制电路的输入端、锂电池的输入端分别连接，锂电池的输出端与短路保护电路的输入端连接、短路保护电路的输出端与温度和过放保护电路的输入端连接，温度和过放保护电路的输出端与电压输出电路的输入端连接，控制电路的输出端与电量显示电路的输入端连接，温度和过放保护电路与控制电路连接，锂电池与控制电路连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，其特征在于，所述温差转换电路包括第一至第七电阻、第一至第三反馈放大器和三极管；其中，第一电阻的一端与第二感温元件的一端、三极管的发射极分别连接，三极管的集电极与电源连接，第一电阻的另一端与第三电阻的一端、第一反馈放大器的正输入端分别连接，第一反馈放大器的负输入端与第五电阻的一端连接，第五电阻的另一端与第一反馈放大器的输出端、第一感温元件的一端分别连接，第一感温元件的另一端与第四电阻的一端、第二反馈放大器的正输入端分别连接，第四电阻的另一端与地、第三电阻的另一端、第七电阻的一端、第二电阻的一端分别连接，第七电阻的另一端与第二反馈放大器的负输入端、第六电阻的一端分别连接，第六电阻的另一端与第二反馈放大器的输出端、第三反馈放大器的负输入端分别连接，第二电阻的另一端第三反馈放大器的正输入端、第二感温元件的另一端分别连接，第三反馈放大器的输出端与三极管的基极连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，其特征在于，所述中间处的测量管外壁向外侧凸起为梯形。

4.根据权利要求1所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，其特征在于，所述加热器线圈为镍镉加热丝。

5.根据权利要求1所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，其特征在于，所述第一感温元件、第二感温元件均为铜丝线圈。

6.根据权利要求5所述的一种基于稳定电源的新型微流量热分布式质量流量计，其特征在于，所述铜丝线圈为长度相等、阻值相等的铜丝线圈。