CN108020283A - 一种双速度探头热式气体质量流量计及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双速度探头热式气体质量流量计及其测量方法。本发明包括电源模块，传感器模块，转换模块，微控制器和显示器。所述电源模块包括电流源和电压源,其中电流源为传感器模块提供加热电流；所述传感器模块由两个PT20铂热电阻构成，在每个铂热电阻的两端开孔，所述的铂热电阻设置在待测气体流通管道内，两者之间的距离为管道长度的一半；所述转换模块包括信号调理电路和A/D采样电路。传感器模块的输出信号经转换模块后输入至微控制器计算流量并显示。本发明同时提供此种流量计的测量方法。本发明中的探头采用铂热电阻并在两侧开通孔，大大降低功耗并提高加热速度，电路搭建容易，不受气体温度影响，无需反馈等额外控制电路。

Description

一种双速度探头热式气体质量流量计及其测量方法

技术领域

本发明涉及气体流量测量技术领域，是一种双速度探头热式气体质量流量计。

背景技术

流量计量是科学计量的组成部分之一，它与国民经济、国防建设、科学研究关系密切。保证流量计量工作的准确性对保障产品质量、提高生产效率、促进科学发展都具有重要的作用。传统热式气体质量流量计是在加热气体时利用测量热量的传递、转移或利用热量消散效应来测得流体质量流量的流量计。它是基于传热原理，通过检测管道内流体与流量传感器之间的热量交换关系来测量流量。利用热量传递、转移效应的流量计称为热分布式气体质量流量计，利用热量消散效应的金氏定律的流量计是浸入式热式气体质量流量计。这里研究的是浸入式热式气体质量流量计。

对于传统的浸入式热式气体流量计其测量方法主要有以下三类:恒功率法、恒温差法以及恒温法。流量传感器上有一个速度探头1(流量探头)和一个温度探头2，分别用来测量气体的质量流量与温度。其探头示意图如图1所示。其中，浸入式热式气体流量计的基本公式模型如(1)所示：

其中Iw为流过速度探头的电流，Rw为速度探头自身的电阻值，Tw为速度探头表面温度，Tc为温度探头所测量出的气体温度，B和C称之为经验常数。根据公式(1)，叙述三种方法区别。若保持速度探头的加热功率不变，根据温差Tw-Tc的大小，得到质量流量q_m的方法称为恒功率法。若保持温差Tw-Tc不变，根据速度探头的电压和电流变化，测量出质量流量q_m的方法称为恒温差法。若保持速度探头表面的温度Tw不变，根据速度探头的电压或者电流大小，测量出质量流量q_m的方法称为恒温法。恒功率型热式气体质量流量计在实际应用中会遇到Iw和Rw同时变化的情况，如何设计电路使得功率I_W ²R_W保持稳定是个难题，同时响应速度慢也是该型流量计的一个缺点，上述问题使得恒功率法极少被采用。恒温差型热式气体质量流量计对温度的变化进行补偿的电路比较复杂，同时由于电路本身功率以及被加热速度探头允许最大电流的影响，使其稳定速度较慢。恒温型热式气体质量流量计由于气体本身的温度对流量也会产生影响，需要进行温度补偿，较为麻烦。从上面分析可以无论是恒功率法，恒温差法还是恒温法，都需要设计复杂的控制电路，且响应速度较慢。

发明内容

为了克服上述现有的一些问题，本发明设计了一种双速度探头热式气体质量流量计并提出了相应的测量方法。它具有响应速度快，加热较快，测量准确，硬件电路实现更为简单，不受环境温度影响等特点。

本发明的热式气体质量流量计，包括电源模块，传感器模块，转换模块，微控制器和显示器。所述电源模块包括电流源和电压源。所述传感器模块由两个PT20铂热电阻构成，在铂热电阻两边设计合适的通孔，大大降低了功耗并提高了加热速度。所述转换模块包括信号调理电路和A/D采样电路。微控制器指的是MSP430单片机。显示器是低功耗诺基亚5110显示屏，显示参数。

本发明同时提供所述流量计的气体测量方法，具体如下：

(1)首先选取一个薄壁管道作为待测气体流通的管道，已知管道的横截面积为S，管道长度为L，两个PT20的安装方法与经典热式气体质量流量计安装方法一样，距离为L/2。给两个PT20铂热电阻通以不同的恒定电流I_W1和I_W2，使铂热电阻发热，然后分别采样两个PT20的电压Uw₁和Uw₂，得到两铂热电阻的电阻值为R_W1和R_W2和温度Tw₁和Tw₂。

(2)利用下面公式计算流量q_m：

其中I_W1和I_W2分别为流过两铂热电阻的电流，Rw₁和Rw₂分别为PT20工作在温度为Tw₁和Tw₂时的电阻值，B，C是经验常数。

与现有技术相比，采取以上技术方案，本发明的有益效果是：探头采用加热电阻并在两侧开通孔，大大降低了功耗并提高了加热速度，电路搭建容易，不受气体温度影响，无需反馈等额外控制电路。

附图说明

图1为：经典热式气体质量流量计结构安装图；

图2为：通孔加工方案；

图3为：本发明的热式气体流量计的硬件原理框图；

图4为：本发明的热式气体流量计关键信号测量电路。

图5为：本发明的热式气体流量计传感器模块。

具体实施方式

本发明设计了一种双速度探头热式气体质量流量计并且提供了测量方法。下面结合附图以及实例对本发明进一步说明。实例为本发明举例，并非对该发明限定。

(1)双速度探头热式气体质量流量计的理论公式推导。

电路提供给流量探头的电功率等于管道内气体对流所带走的热量，其表达式为：

I² _WR_W＝hA(T_W-T_C) (3)

其中Iw是流过铂热电阻电流，Rw为铂热电阻的阻值，h是表面传热系数，A是铂热电阻的表面积，Tw是铂热电阻的温度，Tc是气体温度。其中hA又可表示为：

对于铂热电阻，其电阻值可近似为：

其中Rw₀为铂热电阻在0℃时的电阻值，λ是铂热电阻的温度系数。

当铂热电阻工作在任意温度点Tw₁时，根据(3)可知：

当铂热电阻工作在任意温度点Tw₂时，根据(3)可知：

其中I_W1和I_W2分别为流过两铂热电阻的电流，Rw₁和Rw₂分别为工作在温度为Tw₁和Tw₂时的电阻值。

假设Tw₁>Tw₂，由式(4)、(6)和(7)可以推得公式(2)。

(2)双速度探头热式气体质量流量计的硬件原理框图设计。

热式气体质量流量计的硬件原理框图在上文已经简要叙述，现结合图3和图4和图5进一步说明，这种热式气体质量流量计，包括电源模块，传感器模块，转换模块，微控制器和显示器。电源模块包括恒流源和恒压源，电压源包括通用电压源和精密基准电压源，精密基准电压源为电流源提供基准电压，也为A/D采样芯片提供基准电压，通用电压源为单片机等提供供电电源。恒流源选择两种产生不同电流的恒流源，为铂热电阻提供加热电流。传感器模块非常简单，由两个铂热电阻PT20构成，铂热电阻4在两侧开通孔5，铂热电阻4引出引线3，见图2。转换模块主要是将铂热电阻的电阻信号通过合理的调理电路转换为数字信号送至单片机进行数据处理，通过单片机计算流量并在液晶显示屏上显示。

(3)双速度探头热式气体质量流量计的关键信号测量电路和测量具体步骤。

本部分结合如图4进行解释说明。

1)通过电压源为系统供电。精密基准电压源为电流源提供基准电压，同时为A/D采样芯片提供基准电压，通用电压源为单片机，转换电路等器件供电。两个恒流源I_W1和I_W2为两PT20提供加热电流。

2)管道中气体流量发生改变时，两PT20的电阻值改变，输出电压U_W1和U_W2改变，将输出电压经过合理的调理电路以及A/D采集电路转为数字量。

3)将数字量送到单片机进行数据处理并且计算流量，在液晶屏显示流量。

最后对计算方法作详细说明，U_W1和U_W2是铂热电阻的电压，通过每个铂热电阻的电流I_W1和I_W2已知，通过公式U_W1/I_W1和U_W2/I_W2可分别得到两铂热电阻的电阻值R_W1和R_W2，进而通过公式(5)得到温度值T_W1和T_W2，此时，公式(2)所有量已知，通过公式(2)便可计算流量值。

Claims (3)

1.一种双速度探头热式气体质量流量计，包括电源模块，传感器模块，转换模块，微控制器和显示器，传感器模块的输出信号经转换模块后输入至微控制器，其特征在于：

所述电源模块包括电流源和电压源, 其中电流源为传感器模块提供加热电流；所述传感器模块由两个PT20铂热电阻，在每个铂热电阻的两端开孔，所述的铂热电阻设置在待测气体流通管道内，两者之间的距离为管道长度的一半；所述转换模块包括信号调理电路和A/D采样电路；

设流经该管道内气体流量q_m，则

其中I_W1和I_W2分别为通过第一个铂热电阻的恒定电流和第二个铂热电阻的恒定电流，Tw₁和Tw₂分别为第一个铂热电阻的工作温度和第二个铂热电阻的工作温度，R_W1和R_W2分别为第一个铂热电阻在工作温度Tw₁下的阻值和第二个铂热电阻在工作温度Tw₂下的的阻值，B，C为经验常数。

2.根据权利要求1所述的一种双速度探头热式气体质量流量计，其特征在于：所述的微控制器采用MSP430单片机。

3.根据权利要求1所述的一种双速度探头热式气体质量流量计，其特征在于：还带有显示器，显示器采用低功耗诺基亚5110显示屏。