CN113108856B - 一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计及其标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计，包括传感器和变送器。传感器包括两个PT1000标准铂电阻、一个OCr₂₁Al₆合金加热元件以及一个质量均衡器组成；变送器包括恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4‑20mA电流输出电路以及电源电路，同时，本发明提出一种针对纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计的标定方法，通过本发明流量计与本发明标定方法的配合，能精确地测量气体的质量流量。

Description

一种纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计及其标定方法

技术领域

本发明涉及流量测量领域，为一种热式质量流量计，特别是一种用纯硬件电路设计的恒功率型热式质量流量计。

背景技术

热式质量流量计是一种可以直接测量气体质量流量的流量计，具有重复性好、量程比大以及测量精度高等优点，被广泛应用于石油、化工、冶金、核电等行业的气体流量的测量。

近年来，我国大力发展核电，核电发展政策经历了从“适度发展核电”到“积极推进核电建设”的演变，目前已步入“安全高效发展核电”的新时代战略机遇期。核电站因为其特殊性，主控室应急可居留系统在事故发生时自动投入运行，执行安全保障功能，保证事故发生后为主控制室控制人员提供至少72小时的可呼吸空气，因此，需要精确测量主控制室内氧气气体的质量流量。由于其氧气供应处于高压力工况，介质压力大，且具有相关的耐辐射以及抗震要求，针对目前存在的气体流量计的性能以及适用范围，恒功率型热式质量流量计是最佳选择。

目前，国内在建以及投运的AP1000(Advanced Passive PWR，第三代压水堆核电技术)项目中所采用的1E级(核安全等级)热扩散式质量流量计均为进口产品，主要为美国FCI(France Cargo International Company SA，富加宜)公司的LT87产品。当前国内尚无1E级热式质量流量计的研发与应用，不仅影响了我国核电站设备的国产化率水平，而且制约了我国核电站的发展和安全运营。

发明内容

为了打破国外厂商的垄断，同时满足核电站安全等级的要求，本发明针对核电站1E级安全要求，提供一种用纯硬件电路设计的恒功率型热式质量流量计，由传感器和变送器组成。同时，本发明提出一种针对纯硬件电路的恒功率型热式质量流量计的标定方法。

所述的传感器由两个精确匹配的PT1000铂电阻温度传感器(RTD)、一个OCr₂₁Al₆合金加热元件和一个质量均衡器构成，其中，一个铂电阻温度传感器(RTD)用于测量加热元件的表面温度，称为测速元件；另一个铂电阻温度传感器(RTD)用于测量流体温度，称为测温元件。测温元件和质量均衡器封装在一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测温探头；测速元件和加热元件封装在另一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测速探头。

所述的变送器由恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4-20mA电流输出电路以及电源电路组成。其中，恒流源电路包括两路1mA驱动电流源和一路75mA加热电流源。两路1mA驱动电流源负责驱动测速元件和测温元件，以产生电压信号；75mA加热电流源负责给加热元件以恒功率加热，使得测速元件和测温元件产生温差；信号调理电路包括差分放大电路和低通滤波电路，其中，差分放大电路负责将测速元件和测温元件两端的电压进行差分放大，低通滤波电路滤除放大后电压信号中的高频干扰；非线性校正电路包括模拟倒数、减法运算电路、电压分段电路、模拟幂运算电路以及隔离输出电路。非线性校正电路将经过信号调理电路输出的电压信号进行一系列模拟运算，从而得到与流速成线性关系的电压信号；4-20mA电流输出电路将经过非线性校正电路校正后输出的电压信号转化为与流量成线性关系的电流信号，并进行输出；电源电路包括24V转±15V电路、24V转+10V电路以及24V转±5V电路，为各模块电路供电。

本发明的具体工作过程如下：

(1)75mA加热电流源驱动加热元件实现恒功率加热，加热元件将热量传导至测速元件，使得测速元件与测温元件之间形成温差；1mA驱动电流源驱动测速元件和测温元件产生电压信号，由于在0～200℃温度范围内铂电阻阻值与温度近似成线性关系，当通以相同的电流时，测速元件与测温元件的输出电压差与温差成线性关系。

(2)测速元件与测温元件的输出电压先经过仪表放大器进行差分放大，然后经过四阶巴特沃斯低通滤波器滤除信号中的高频干扰，得到信号调理电路的输出电压信号e。

(3)经过信号调理电路处理后的输出电压信号e先经过模拟倒数、减法运算电路，进行倒数、减法运算，得到1/e-D；然后，该电压信号再经过电压分段电路进行比较，并根据比较结果将其送入指定幂值的模拟幂运算电路以实现幂运算，得到(1/e-D)^m；最后，经过隔离输出电路将电压信号(1/e-D)^m进行隔离后输出，防止多个模拟幂运算电路之间相互影响。

(4)经过非线性校正电路处理后的电压信号与流量成线性关系，通过4-20mA电流输出电路将非线性校正电路的输出电压信号转换为4-20mA电流进行输出。

本发明非线性校正电路的设计依据为：

将有源探头被放置于管道中，在流速稳定时，根据热力学原理和金氏定理，当流体流动带走探头上的热量与探头加热功率提供的热量形成平衡时，可得：

式中，I_w为加热电流，R_w为探头电阻，T_w和T_c分别为探头和流体的表面温度，U为被测气体流量，A、B、n为系数。

结合本发明的传感器结构和变送器电路，公式(1)可进行如下转化：

式中，R为加热元件的电阻；信号调理电路输出电压信号为：

e＝I(R_w-R_c)×k′＝0.001×3.9×(T_w-T_c)×10 (3)

式中，I为1mA驱动电流；R_w为测速元件的电阻；R_c为测温元件的电阻；仪表放大器的放大倍数k′为10；在0～200℃温度范围内，铂电阻阻值与被测温度之间具有很好的线性度，PT1000铂电阻的线性转换关系为(R_w-R_c)＝3.9×(T_w-T_c)，因此，可得e＝k(T_w-T_c)，k为0.039，即信号调理电路的输出电压与被测量T_w-T_c构成线性关系，且该输出电压与流量之间存在确定的函数关系。因此，首先对信号调理电路输出电压进行倒数计算得到1/e；然后，利用减法电路减去

得到1/e-D；最后，对减法电路的输出信号进行m次幂运算(m＝1/n)，即可得到与实际流量成线性关系的输出电压U′＝(1/e-D)^m，该关系式即为非线性校正电路的传递函数，实际流量U＝CU′，C为常数。

根据上述对信号调理电路输出电压与流量之间关系的推导，其中有两个参数需要计算，分别是D和m。

(1)D的求解

理论上，信号调理电路的输出电压经过非线性校正电路处理后，输出电压与流量成线性关系，即当流量为0m³/h时，输出电压应该也为0V，因此，D等于零流量时信号调理电路输出电压的倒数。

(2)m的求解

当气体流量分别为U₁、U₂时(例如气体流量U₁＝10m³/h，U₂＝5m³/h)有：

则

从而有

由上述推导可得：通过两个流量点的标准流量值以及该流量点处信号调理电路的输出电压即可计算出幂值m。在理想情况下，该幂值能将整个流量区间内信号调理电路的输出电压线性化，然而，在实际测量过程中，由于受到传感器制作工艺、铂电阻散热能力以及环境温度等因素的影响，一个单一的幂值m无法将整个流量区间内信号调理电路的输出电压线性化。因此，本发明提出将流量区间分段，并在不同的流量区间设置不同的幂值，从而实现整个流量区间的线性化。

本发明提供的标定方法步骤为：

(1)测量0m³/h流量下模拟倒数电路的输出电压D；

(2)将减法运算电路的被减值设为D；

(3)测量各个标准流量下信号调理电路的输出电压；

(4)确定流量区间的分段及各区间最佳幂值；

(5)根据流量区间的分段结果设置电压分段电路的门限电压值；

(6)将模拟幂运算电路的幂值设置为各流量区间内的最佳幂值；

(7)调节4-20mA电流输出电路的参数。

附图说明

图1为本发明传感器示意图；

图2为本发明变送器电路结构框图；

图3为本发明1mA驱动恒流源电路原理图；

图4为本发明75mA加热电流源电路原理图；

图5为本发明差分放大电路原理图；

图6为本发明低通滤波器电路原理图；

图7为本发明模拟倒数、减法运算电路原理图；

图8为本发明电压分段电路原理图；

图9为本发明模拟幂运算电路原理图；

图10为本发明隔离输出电路原理图；

图11为本发明4-20mA电流输出电路原理图；

图12为本发明电源电路原理图；

图13为本发明标定方法流程图；

图14为各流量区间最佳幂值；

图15为幂值m＝3.1时非线性校正电路输出电压与流量对应关系；

图16为流量区间分两段时输出电压与流量对应关系；

图17为最佳分段区间及幂值处理后电压与流量对应关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

图1为本发明传感器示意图，本发明的传感器由两个精确匹配的铂电阻温度传感器(RTD)、一个加热元件和一个质量均衡器构成，并被封装在两个全金属316不锈钢热电偶套管中。其中，一个RTD温度传感器用于测量加热元件的表面温度，称为测速元件；另一个RTD温度传感器用于测量流体温度，称为测温元件；外部电路控制加热元件以恒定功率对测速元件进行加热。质量均衡器用于确保在流体温度发生变化时，测温元件能与测速元件以相同的速率发生改变，从而在温度发生瞬态波动的情况下保持仪表的测量精度。在使用中，测温元件和质量均衡器封装在一个探头内，称为测温探头；测速元件和加热元件封装在另一个探头内，称为测速探头；两个探头并列放置(两探头所在平面与流速方向垂直)在管道中并相隔一定距离。

为了实现加热元件的恒功率加热，避免在加热元件上施加恒压或者恒流时加热元件的电阻值发生变化，需要加热元件的电阻值能够在仪表的工作环境范围内保持不变。本发明利用OCr₂₁Al₆(卡玛)合金材料制成加热元件，在100～200℃温度范围内，其电阻值仅仅增加0.2％，因此，加热元件电阻值的变化所引入的误差很小，可以忽略不计。为了满足1E级安全需求以及提高仪表的测量精度，本发明利用PT1000基准铂电阻来制作测速元件和测温元件，此时，测速元件与测温元件的阻值之差与两者的温差成线性关系。

图2为本发明的变送器电路结构框图。本发明的变送器电路由恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4-20mA电流输出电路以及电源电路组成。

所述的恒流源电路包括两路1mA驱动电流源和一路75mA加热电流源，其中，两路1mA驱动电流源负责驱动测速元件和测温元件以产生电压信号；75mA加热电流源负责给加热元件以恒功率加热，使得测速元件和测温元件之间产生温差。

所述的信号调理电路包括差分放大电路和低通滤波电路，其中，差分放大电路负责将测速元件和测温元件两端的电压进行差分后再放大，低通滤波电路滤除放大后电压信号中的高频干扰。

所述的非线性校正电路包括模拟倒数、减法运算电路、电压分段电路、模拟幂运算电路以及隔离输出电路。非线性校正电路将经过信号调理电路输出的电压信号进行一系列模拟运算，从而得到与流量成线性关系的电压信号。

所述的4-20mA电流输出电路将经过非线性校正电路校正后输出的电压信号转化为与流量成对应关系的电流信号，并进行输出。

所述的电源电路包括24V转±15V电路、24V转+10V电路以及24V转±5V电路。其中，24V负责给75mA加热电流源供电；±15V负责给非线性校正电路和4-20mA电流输出电路供电，+10V负责给1mA驱动电流源供电；±5V负责给1mA驱动电流源、信号调理电路以及非线性校正电路供电。

图3为本发明的1mA驱动恒流源电路原理图。该电路由电压电流转换芯片XTR111AIDGQT、电阻R32、R33、R34、R35、R36、R37、R38、电容C49、C50、三极管Q3、Q4以及MOSFET芯片FDC5614P(Q5)组成。其中，R32、R33、Q3、Q4FDC5614P构成一个输出限流电路，限制电流的大小为I＝V_th/R32；R34、R35和C50构成输出滤波器用来滤除电路中的干扰，输出电流的大小为Iout＝10×VIN/R38。

图4为本发明的75mA加热电流源电路原理图。该电路由三端电压调节器LM317、电阻R48、R49、电容C61、C62组成，其中，C61、C62为退耦电容。该电路的输出电流为Iout＝1.25/(R48//R49)。

图5为本发明的差分放大电路原理图。该电路由仪表放大器芯片INA129、电阻R7、R9、R10、R11、R12、电容C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34组成。其中，R9、C31或R7、C27构成低通滤波器用于滤除共模干扰，截止频率为3122Hz；R7、R9、C28构成的低通滤波器用于滤除差模干扰，同时，消除了电阻电容不匹配对共模抑制比的影响，截止频率为156Hz；C29、C30、C32、C33为退耦电容。IN0为测速元件输出电压，IN1为测温元件输出电压，仪表放大器的放大倍数为K＝1+49.4kΩ/R10。该电路的输出电压为Uout＝K(IN0-IN1)。

图6为本发明的低通滤波器电路原理图。该电路由运算放大器芯片OPA2376、电阻R14、R15、R16、R17、R18、R19、R20、R21、电容C35、C36、C37、C38、C39、C40、C41、C42、C43、C44组成。其中，C37、C38、C39、C40为退耦电容，滤波器的截止频率

增益K＝(R15×R19)/(R14×R18)。四阶低通滤波器电路实际上是由两个二阶低通滤波器电路级联构成，因此，一般是将两个二阶低通滤波器的截止频率设为相同的，再通过查表得到四阶低通滤波器2个阻尼系数，根据这个阻尼系数求二阶低通滤波器的增益，即可将滤波器的电阻电容值都确定，由于本发明设计的滤波器增益为1，因此，可以将两个二阶低通滤滤波器电路设计成完R全相同，即R14＝R18、R16＝20、C35＝C42、C36＝C43。

图7为本发明的模拟倒数、减法运算电路原理图。该电路由非线性计算芯片AD538、运算放大器OPA2376、二极管D3、电阻R50、R51、R52、R53、R54、电容C65、C66、C67、C68、C69、C70组成。其中，C65、C66、C67、C68、C69、C70为退耦电容；e为信号调理电路的输出电压；AD538芯片的输出为Vo＝1.25×1.25/e；OPA2376、R50、R51、R52、R53构成减法器。该电路的输出Vout＝Vo-VREF2。

图8为本发明的电压分段电路原理图。该电路由两个四通道差分比较器LM239、四路单刀单掷开关器件ADG1612、电阻R69、R71、R72、R74、R75、R77、R78、R79、R81、R82、R83、R84、R85、R87、R88、R89、R90、R91、R95、R96、R97、R98、R99、R100、R101、R102、电位器R70、R73、R76、R80、R86、电容C100、C101、C102组成。其中，C100、C101、C102为退耦电容；LM239芯片内部集成了四个独立的精密电压比较器，将其中一个电压比较器的同相输入端接至另一个电压比较器的反相输入端时，这两个电压比较器就构成了一个双限电压比较器。通过设置双限电压比较器的门限电压值，该双限电压比较器即可实现将电压分段的功能。当输入电压值在门限电压区间内时，比较器通过一个上拉电阻输出一个接近供电电压VCC的高电平，当输入电压值不在门限电压区间内时，比较器输出低电平。由于双限电压比较器在进行电压比较后只能输出高电平或者低电平，无法直接输出输入电压，因此，在进行电压比较后仍需要一个模拟开关电路将倒数、减法运算电路的输出电压送至后续指定的幂运算电路。以U23为例来说明电压分段电路的原理，首先将U23的+IN1引脚与-IN2引脚相连构成双限电压比较器，并且，+IN1引脚与-IN2引脚的输入为模拟倒数、减法运算电路的输出电压Vout，再通过电位器R70、R73设置门限电压值V-IN1、V+IN2，当V-IN1<Vout<V+IN2时，U23的OUT1引脚和OUT2引脚输出高电平，使得U21的开关D1导通，S1输出Vout。

图9为本发明的模拟幂运算电路原理图。该电路由AD538芯片、二极管D7、电阻R92、R94、电位器R93、电容C94、C95、C96、C97、C98、C99组成。其中，电容C94、C95、C96、C97、C98、C99为退耦电容；R92、R93、R94用于调节幂值m，其转换关系为m-1＝196/(R92+R93+R94)。该电路的输出电压为VOUT4＝1.25×(Vout/1.25)^m。

图10为本发明的隔离输出电路原理图。该电路由LM339芯片、四个MOSFET型继电器G3VM_61D1、电阻R95、R96、R97、R98、R99、R100、R101、R102、R103、R104、R105、R106、R108、R109、R110、R111、R112、R113、电位器R107、电容C101、C102组成。其中，C101、C102为退耦电容。将LM339芯片配置成4个单限电压比较器，通过电位器R107设置门限电压值，将LM339芯片和G3VM_61D1芯片的输入端都分别连接至前级实现四个不同模拟幂值运算电路的输出端VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4。正常工作时，只有一个模拟幂运算电路处于工作状态，有正常的输入、输出电压。该输出电压经过电压比较后使得该路比较器输出高电平。该高电平再作为控制信号使得相应的继电器导通，并输出处于正常工作状态下的模拟幂运算电路的输出电压。这样就实现了多个模拟幂运算电路输出电压的隔离，使它们互不影响。

图11为本发明的4-20mA电流输出电路原理图。该电路由电压电流转换器XTR110KU-BI、运算放大器LM358、三极管Q1、Q2、电位器R18、电阻R17、R19、R20、R21、R42、电容C21、C22、C23、C24、C25、磁珠FB2组成。其中，C21、C22、C24、C25为退耦电容；LM358构成电压跟随器起缓冲隔离作用；对于XTR110KU-BI，IN1引脚的输入电压V_IN1为前级隔离输出电路的输出电压，V_REFIN为+15V经过R20、R21分压后的参考电压，电压电流转换关系为I_O＝10(V_REFIN/16+V_IN1/4)/R_SPAN，R_SPAN＝R18//1562.5Ω。

图12为本发明的电源电路原理图。该电路由24V转+5V电路、24V转+15V电路、+15V转+10V电路、+15V转-15V电路以及+5V转-5V电路组成。其中，24V转+5V电路由DC/DC降压型转换芯片LM2672_M5.0、二极管D1、电感L1、L2、电阻R1、电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7组成。LM2672_M5.0输出固定电压+5V。24V转+15V电路由三端正稳压器LM78L15ACM、电容C13、C14、C15、C16组成，电路输出固定的+15V电压。+15V转+10V电路由带隙基准电压源ADR01BRZ、电容C53、C54、C55组成。ADR01BRZ能输出标准的+10V电压。+15V转-15V电路由DC/DC转换器LT3580、二极管D2、电感L3、L4、电阻R2、R3、R4、R5、电容C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24组成，其输出电压由R4和R5确定。+5V转-5V电路由开关电容电压转换器MAX660、磁珠FB1、电容C8、C9、C10、C11、C12组成。MAX660能实现将输入电压极性反转后输出。

图13为本发明的标定方法流程图，标定方法步骤为：

(1)测量0m³/h流量下模拟倒数电路的输出电压D；

(2)将减法运算电路的被减值设为D；

(3)测量各个标准流量下信号调理电路的输出电压；

(4)确定流量区间的分段及各区间最佳幂值；

(5)根据流量区间的分段结果设置电压分段电路的门限电压值；

(6)将模拟幂运算电路的幂值设置为个流量区间内的最佳幂值；

(7)调节4-20mA电流输出电路的参数。

其中，第(4)步可进一步分为：

(1)将标准流量及各流量下对应信号调理电路的输出电压依次两两代入公式(7)，求出一个m值数组；

(2)找出m值数组中的最大值m_max；

(3)用公式

处理各流量点信号调理电路的输出电压，实现非线性校正；

(4)连接最大流量点处校正后的输出电压与(0,0)，并将该连线记为标准线；

(5)判断其他流量点(除了最大流量点)校正后的电压是否在标准线两侧，可能会出现两种情况：

1.若其他流量点(除了最大流量点)校正后的电压在标准线两侧，则初步将标准线上方的流量点设为一个流量区间，将标准线上方的流量点设为一个流量区间；

2.若其他流量点(除了最大流量点)校正后的电压不在标准线两侧，则减小其他流量点(除了最大流量点)处校正的幂值，即用(1/e-D)^m处理其他流量点信号调理电路的输出电压(该m<m_max)，直到校正后的电压分布在标准线两侧；

(6)调节幂值m，使得各流量点校正后的电压尽可能落在标准线上，调节幂值的准则是：流量小的区间的幂值小于流量大的区间的幂值。

(7)判断设置两个幂值后各流量点校正后的电压是否都落在标准线上，会出现两种情况：

1.若设置两个幂值后各流量点校正后的电压都落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

2.若设置两个幂值后各流量点校正后的电压不都落在标准线上，则将不在标准线上的流量点划入另一个流量区间，判断经过另一个流量区间的幂值处理后能否落在标准线上，此时，分为两种情况：

1)若经过另一个流量区间的幂值处理后能使得原本不落在标准线上的电压落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

2)若经过另一个流量区间的幂值处理后不能使得原本不落在标准线上的电压落在标准线上，则将不在标准线上的流量点作为新的流量区间，重新设置幂值，判断设置新的幂值后的流量区间校正后的电压是否都落在标准线上，会出现两种情况：

①设置新的幂值后的流量区间校正后的电压都落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

②设置新的幂值后的流量区间校正后的电压不都落在标准线上，则微调步骤(2)中设置的最大幂值m_max，即改变流量与校正后电压的之间线性关系，再重复步骤(3)-(7)直至完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定。

下面结合具体实验数据介绍本发明的标定方法步骤：

(1)将本发明的传感器安装在DN25口径的标定管道上，并确保传感器部分的管道与标定管道完全对齐与贴合，防止出现漏气或流量不稳的情况。再将本发明的变送器与传感器连接。关闭标定装置的进气阀门，并用海绵塞堵住管道的进气口，从而保证管道内无气体流动。

(2)给本发明的变送器上电，稳定2小时后采集模拟倒数电路的输出电压D。由于本发明的传感器需要通过先给加热元件加热后再将热量传至测速元件，故需要等到加热元件、测速元件、测温元件三者达到最终的换热平衡状态时采集到的电压值才准确。因此，在测量0m³/h流量下模拟倒数电路的输出电压时，需要稳定较长的时间。

(3)将减法运算电路的被减值设为模拟倒数电路的输出电压值D，这样在0m³/h流量下，经过模拟倒数、减法运算电路后的电压信号为0V。

(4)将标定装置的流量分别调至5m³/h、10m³/h、15m³/h、20m³/h、25m³/h、30m³/h、40m³/h、45m³/h、50m³/h、55m³/h、60m³/h、70m³/h、75m³/h、80m³/h、90m³/h、100m³/h，每个流量点稳定10分钟后，用六位半数字多用表测量并记录信号调理电路60s的输出电压的平均值，实验数据如表1所示。

表1各流量下信号调理电路输出电压平均值

(4)将采集到的各个标准流量数据以及对应的信号调理电路的输出电压依次两两代入公式，计算出一组m值数组，如图14所示。该数组能反映在0-100m³/h流量范围内各个流量区间的最佳幂值，同样也能反映出幂值的变化情况。通过该幂值数组，可以对整个流量区间的分段起一定的指导作用。

(5)根据图14得到的各流量区间最佳幂值，找到其中最大的幂值m_max＝3.1，用该幂值和D构成的(1/e-D)^m关系式处理整个流量区间信号调理电路的输出电压，结果如图15所示。

(6)当确定了最大流量点处电压的幂值时，将经过非线性校正电路处理后该点处的坐标与(0,0)连接，形成一条直线。该直线即为流量与非线性校正电路输出电压之间的线性关系，记为标准线，中间部分各流量点信号调理电路输出的电压值经过非线性校正电路处理后都应该尽可能地落在该条直线上。

(7)由于在0-40m³/h的流量区间内，经过非线性校正电路处理后的电压均在标准线下方，在40-100m³/h的流量区间内，经过非线性校正电路处理后的电压均在标准线上方。因此，可以初步将0-40m³/h、40-100m³/h分别设为2个流量区间，在这两个流量区间内调节幂值，使得处理后的电压尽可能地落在标准线上。幂值的调节准则为：0-40m³/h流量区间内的幂值小于40-100m³/h流量区间内的幂值，40-100m³/h流量区间内的幂值小于3.1，该准则是由图14得出。

(8)在两个区间不断调节不同的幂值后，初步得出：当0-40m³/h流量区间内的幂值m＝2、40-100m³/h流量区间内的幂值m＝2.9时，在0-35m³/h流量区间以及45-75m³/h流量区间内经过非线性校正电路处理后的电压已经基本落在标准线上，仅有几个点没在标准线上，如图16所示。

(9)先考虑将35-45m³/h流量区间划入45-75m³/h流量区间，看经过幂值为2.9的非线性校正电路处理后的电压能否落在标准线上，若不满足要求，则在35-45m³/h流量区间设定新的幂值。而在75-100m³/h的流量区间则直接设置新的幂值，直至该幂值满足要求。另外，在尝试不同的幂值时，若遇到某几个点或区间始终无法找到最合适的幂值时，可考虑细调最大流量点处的幂值，即略微改变流量与非线性校正电路输出电压之间的线性关系，此时，之前设置好的各流量区间的幂值可能也需要做相应的调整。

(10)在将75-100m³/h的流量区间设置新的幂值、微调最大流量点处的幂值以及将35-45m³/h流量区间划入45-75m³/h流量区间的处理后，在0-35m³/h流量区间的幂值设为2.05、35-75m³/h流量区间的幂值设为2.98、75-100m³/h流量区间的幂值设为3.2时，能够将整个流速区间的电压线性化，如图17所示。

(11)根据图17的流量分段结果，将流量分界点处信号调理电路的输出电压经过倒数、减法运算后的结果作为后续电压分段电路的电压门限值。通过调节电压分段电路中电位器的电阻值来得到所需的电压门限值，从而得到电压分段电路各输入电压区间。然后，调节模拟幂运算电路中电位器的阻值，使其能够实现图17所示指定幂值的运算。另外，所设置的输入电压区间要与相应的幂值一一对应。

(12)将标定装置的流量设为100m³/h，等流量稳定后，测量隔离输出电路的电压输出值。信号调理电路的输出电压随着流量的增大逐渐减小，在100m³/h流量下电压达到最小，后续经过倒数、减法以及幂运算电路后，电压转变为最大。该电压值对应于4-20mA转换区间中的20mA。根据4-20mA电流输出电路的转换公式，将V_IN带入公式后可得V_REFIN、R_SPAN。

(13)调节4-20mA电流输出电路中的电位器，将V_REFIN、R_SPAN设置步骤(12)中求出的指定值。

Claims (2)

1.一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计，其特征在于：纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计由传感器和变送器组成；

所述的传感器由两个精确匹配的PT1000铂电阻温度传感器、一个OCr₂₁Al₆合金加热元件和一个质量均衡器构成，其中，一个铂电阻温度传感器用于测量加热元件的表面温度，称为测速元件，另一个铂电阻温度传感器用于测量流体温度，称为测温元件，测温元件和质量均衡器封装在一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测温探头，测速元件和加热元件封装在另一个全金属316不锈钢热电偶探头内，称为测速探头；

所述的变送器由恒流源电路、信号调理电路、非线性校正电路、4-20mA电流输出电路以及电源电路组成；

所述的恒流源电路包括两路1mA驱动电流源和一路75mA加热电流源，其中，两路1mA驱动电流源负责驱动测速元件和测温元件产生电压信号；75mA加热电流源负责给加热元件以恒功率加热，使得测速元件和测温元件产生温差；

所述的信号调理电路包括差分放大电路和低通滤波电路，其中，差分放大电路负责将测速元件和测温元件两端的电压进行差分后放大，低通滤波电路滤除放大后电压信号中的高频干扰；

所述的非线性校正电路包括模拟倒数、减法运算电路、电压分段电路、模拟幂运算电路以及隔离输出电路；非线性校正电路将经过信号调理电路输出的电压信号进行一系列模拟运算，从而得到与流量成线性关系的电压信号；

所述的4-20mA电流输出电路将经过非线性校正电路校正后输出的电压信号转化为与流量成对应关系的电流信号，并进行输出；

所述的电源电路包括24V转±15V电路、24V转+10V电路以及24V转±5V电路； 其中，24V负责给75mA加热电流源供电；±15V负责给非线性校正电路和4-20mA电流输出电路供电，+10V负责给1mA驱动电流源供电；±5V负责给1mA驱动电流源、信号调理电路以及非线性校正电路供电；

标定方法步骤为：

1)测量0m³/h流量下模拟倒数电路的输出电压D；

2)将减法运算电路的被减值设为D；

3)测量各个标准流量下信号调理电路的输出电压；

4)确定流量区间的分段及各区间最佳幂值m；

5)根据流量区间的分段结果设置电压分段电路的门限电压值；

6)将模拟幂运算电路的幂值设置为个流量区间内的最佳幂值；

7)调节4-20mA电流输出电路的参数；

所述的第4)步可进一步分为：

(1)将标准流量及各流量下对应信号调理电路的输出电压依次两两代入公式

求出一个m值数组；

式中，U₁和U₂分别为不同的气体流量，D为模拟倒数电路的输出电压；

(2)找出m值数组中的最大值m_max；

(3)用公式

处理各流量点信号调理电路的输出电压，实现非线性校正，式中，e是信号调理电路的输出电压；

(4)连接最大流量点处校正后的输出电压与(0,0)，并将连线记为标准线；

(5)除了最大流量点，判断其他流量点校正后的电压是否在标准线两侧，可能会出现两种情况：

(a)若除了最大流量点，其他流量点校正后的电压在标准线两侧，则将标准线上方的流量点设为一个流量区间；

(b)若除了最大流量点，其他流量点校正后的电压不在标准线两侧，则减小其他流量点处校正的幂值，即用(1/e-D)^m处理其他流量点信号调理电路的输出电压，m<m_max，直到校正后的电压分布在标准线两侧；

(6)调节幂值m，使得各流量点校正后的电压尽可能落在标准线上，调节幂值的准则是：流量小的区间的幂值小于流量大的区间的幂值；

(7)判断设置两个幂值后各流量点校正后的电压是否都落在标准线上，会出现两种情况：

(a)若设置两个幂值后各流量点校正后的电压都落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

(b)若设置两个幂值后各流量点校正后的电压不都落在标准线上，则将不在标准线上的流量点划入另一个流量区间，判断经过另一个流量区间的幂值处理后能否落在标准线上，此时，分为两种情况：

(i)若经过另一个流量区间的幂值处理后能使得原本不落在标准线上的电压落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

(ii)若经过另一个流量区间的幂值处理后不能使得原本不落在标准线上的电压落在标准线上，则将不在标准线上的流量点作为新的流量区间，重新设置幂值，判断设置新的幂值后的流量区间校正后的电压是否都落在标准线上，会出现两种情况：

①设置新的幂值后的流量区间校正后的电压都落在标准线上，则完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定；

②设置新的幂值后的流量区间校正后的电压不都落在标准线上，则微调步骤(2)中设置的最大幂值m_max，即改变流量与校正后电压的之间线性关系，再重复步骤(3)-(7)直至完成流量区间的分段和各区间最佳幂值的确定。

2.根据权利要求1所述的一种纯硬件电路的恒功率型热式气体质量流量计，其特征在于：

根据热力学原理和金氏定理，结合了传感器结构和变送器电路，非线性校正电路的传递函数为：

式中，C为常数；

针对传感器受到制作工艺、铂电阻散热能力以及环境温度因素的影响，而使得一个单一的幂值m无法将整个流量区间信号调理电路的输出电压线性化的问题，提出将流量区间分段，并在不同的流量区间设置不同的幂值。

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