CN114061684B - 一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法 - Google Patents

一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，包括S1、采集流量传感器的上、下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为
Figure 281485DEST_PATH_IMAGE001
，并将
Figure 914591DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 251157DEST_PATH_IMAGE003
转换为与电压大小相关的无量纲数值，作为计算流量Q的输入；S2、利用数学式：
Figure 260701DEST_PATH_IMAGE004
，对流量传感器的输出流量Q进行计算。通过利用温度传感器对流量传感器进行环境测温补偿，减少流量传感器预热时间，通电后流量传感器达到工作温度就可以进行有效的流体流量测量。

Description

一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法
技术领域
本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法。
背景技术
随着工业及科学技术的发展，对流体流量的测量提出了更高要求；目前已有许多 流量计算方法，其中典型的流量传感器通过流体的导管，在导管上下游分别设有两个独立 的、随流体温度变化的热敏电阻，并设置有分别包含上述随温度变化的热敏电阻的两个相 互独立的温控电路，控制两个恒温电路温度相等且为定值，流量传感器上游热敏电阻对应 的温控电路输出电压为
Figure 955883DEST_PATH_IMAGE001
，设下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为
Figure 341865DEST_PATH_IMAGE002
，两个恒温电 路输出电压差
Figure 996969DEST_PATH_IMAGE003
，通过
Figure 234921DEST_PATH_IMAGE004
的式子计算流量Q，典型的流量传感器计 算流量公式为：
Figure 783714DEST_PATH_IMAGE005
。
基于热传导效应的上述式中
Figure 199652DEST_PATH_IMAGE006
仅受环境温度影响，通过除以
Figure 935526DEST_PATH_IMAGE007
，使 得不同温度下流量Q变化所对应的温控电路的电压差
Figure 478634DEST_PATH_IMAGE008
变化相同，消除环境温度因素 影响，从而提高流量传感器的输出线性，提高不同温度下流量传感器得测量精度。
但实际工况中，同一温度下，
Figure 616355DEST_PATH_IMAGE009
难以取定值且随流量Q变化而变化，通过式
Figure 203194DEST_PATH_IMAGE010
计算流量Q来消除环境温度对流量传感器输出的影响，由于
Figure 160785DEST_PATH_IMAGE011
随流量Q变化而变化，会导致流量传感器输出附加额外的非线性，导致流量传感器无法在不 同温度下保持较好的测量精度。
此外典型的流量传感器缺乏零点修正，即实际流量为零时，对零点输出进行修正；故当环境温度发生变化时，市场上典型的流量传感器会产生零点输出偏移，使得传感器输出发生偏移。
另外，由于典型的流量传感器需要较长的预热时间，使流量传感器的流量计与周围的环境达到（趋近）热平衡状态时，方能有效进行流体流量的测量。
发明内容
针对现有技术存在的问题：本发明提出利用温度传感器对流量传感器进行环境测温补偿，减少流量传感器预热时间，通电后流量传感器达到工作温度就可以进行有效的流体流量测量。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，包括以下步骤：
S1、采集流量传感器的上、下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为
Figure 740540DEST_PATH_IMAGE012
、
Figure 732767DEST_PATH_IMAGE013
，并将
Figure 21666DEST_PATH_IMAGE014
和
Figure 997712DEST_PATH_IMAGE015
转换为与电压大小相关的无量纲数值，作为计算流量Q的输入；
S2、利用数学式：
Figure 741677DEST_PATH_IMAGE016
，对流量传感器的输出流量Q进行 计算；其中，
Figure 994935DEST_PATH_IMAGE017
为将温控电路的流量传感器输出值转换为流量的映射函数，
Figure 392419DEST_PATH_IMAGE018
为零偏 函数；f(T)温度补偿修正函数；
理论上
Figure 839449DEST_PATH_IMAGE019
项为仅受温度影响但实际受流量Q影响的项，故理论上流量传感 器的输出
Figure 829183DEST_PATH_IMAGE020
项应仅受流量Q影响；由于
Figure 796002DEST_PATH_IMAGE021
项受流量Q的变化影响，导致
Figure 302070DEST_PATH_IMAGE020
项附加上额外的非线性，导致流量传感器输出线性不理想，存在较大误差；
将数学式
Figure 596916DEST_PATH_IMAGE022
中
Figure 948263DEST_PATH_IMAGE023
变换为
Figure 159801DEST_PATH_IMAGE024
，即由
Figure 571191DEST_PATH_IMAGE025
项替换数学式
Figure 743546DEST_PATH_IMAGE026
中的环境温度影响项
Figure 6906DEST_PATH_IMAGE027
，并增加ofs零偏函数，得到
Figure 213897DEST_PATH_IMAGE028
；由此降低流量Q的变化对流量传感器 输出项的影响，降低额外的非线性；
由于流体实际在流量传感器中的换热难以达到理想状态，有一部分热量
Figure 920822DEST_PATH_IMAGE029
在上 游流向下游的过程中散热损耗掉，流体带给下游的热量Q heat_d小于上游传感器带走的热量Q heat_u ，因此在环境温度恒定时，
Figure 49315DEST_PATH_IMAGE030
项会随流量Q的变化发生改变；由于式
Figure 352251DEST_PATH_IMAGE031
中的
Figure 7223DEST_PATH_IMAGE032
项仅受周围环境温度变化的影响，
Figure 760416DEST_PATH_IMAGE033
可以仅对周围环境温度的影响进行修正，进而通过该式的计算来降低因流量Q的变化附加的额外非线性。
设温度补偿修正函数为
Figure 907363DEST_PATH_IMAGE034
，
Figure 778105DEST_PATH_IMAGE035
是基于温度传感器测量周围环境 温度T，式中T u 为上游热敏电阻温度，T d 为下游热敏电阻温度。
温度补偿修正函数说明：由雷诺输送定律
Figure 694108DEST_PATH_IMAGE036
，某瞬间控制体内的流体所构成的体系，它所具有的物理量的随流导数，等于同一瞬间控制体中所含同一随流物理量的增加率（
Figure 477257DEST_PATH_IMAGE037
为体积分）与该物理量通过控制面的净流出率（
Figure 111500DEST_PATH_IMAGE038
为面积分）之和；同一控制体内流量的变化可以用热量的变化来衡量，故可以认为
Figure 146452DEST_PATH_IMAGE039
，式中
Figure 57908DEST_PATH_IMAGE040
为流量变化量，
Figure 152903DEST_PATH_IMAGE041
为加热功率变化量，
Figure 8863DEST_PATH_IMAGE042
为功率流量增益系数。
Figure 972140DEST_PATH_IMAGE043
为电压相关的无量纲数，故
Figure 597156DEST_PATH_IMAGE043
能反应热敏电阻
Figure 236954DEST_PATH_IMAGE044
两端电压大小，通电工作时，由惠斯通电桥平衡可分析得知，动态电阻（通电加热后）
Figure 580211DEST_PATH_IMAGE044
为确定的常值，故加热功率
Figure 488124DEST_PATH_IMAGE045
可表示为
Figure 92281DEST_PATH_IMAGE046
，同理，总加热功率的变化
Figure 529078DEST_PATH_IMAGE047
，可写为
Figure 359631DEST_PATH_IMAGE048
，
Figure 415443DEST_PATH_IMAGE049
为加热功率传递系数，
Figure 15051DEST_PATH_IMAGE050
；考虑
Figure 747384DEST_PATH_IMAGE051
中有一部分发热功率通过环境热传导耗散，通过传感器流量为零，热敏电阻
Figure 65233DEST_PATH_IMAGE052
达到稳态温度
Figure 783790DEST_PATH_IMAGE053
，此时加热功率用于抵消环境散热，即
Figure 871526DEST_PATH_IMAGE054
，同理有
Figure 650127DEST_PATH_IMAGE055
，式中
Figure 455272DEST_PATH_IMAGE056
为传热系数，
Figure 102154DEST_PATH_IMAGE057
为热敏电阻
Figure 676354DEST_PATH_IMAGE058
等效热传导面积，
Figure 891435DEST_PATH_IMAGE059
为热敏电阻
Figure 528084DEST_PATH_IMAGE060
等效热传导面积；环境温度
Figure 119602DEST_PATH_IMAGE061
时，热敏电阻
Figure 407364DEST_PATH_IMAGE062
各自的热平衡功率为
Figure 527767DEST_PATH_IMAGE063
，故环境温度不同时，各自的零流量热平衡功率大小也各不相同，会产生一个由于环境温度变化引起的零偏输出。
流量函数
Figure 307504DEST_PATH_IMAGE064
，令
Figure 811035DEST_PATH_IMAGE065
，则
Figure 828670DEST_PATH_IMAGE066
；
结合雷诺输送定律所得流量变化与加热功率变化关系
Figure 510187DEST_PATH_IMAGE067
和
Figure 511641DEST_PATH_IMAGE068
可得
Figure 179383DEST_PATH_IMAGE069
，其中，
Figure 192469DEST_PATH_IMAGE070
为常值，但考虑到实际流量传感器的数据点波动以及测量误差的存在，故需多组测量X和Q的数据，进行归一化处理，求解出
Figure 920254DEST_PATH_IMAGE071
回归值。
考虑到流量传感器个体的物理结构差异及实际T u 、T d 温度难以同时测量，对公式
Figure 409004DEST_PATH_IMAGE072
进行变换，得到
Figure 739491DEST_PATH_IMAGE073
，式中，K为热敏电阻 温升系数，C为室温时上下游热敏电阻的电阻相对误差率，其中，电阻相对误差：C=(R u -R d )/R u ，R u 、R d 为上、下游热敏电阻阻值，Tu为热敏电阻Ru的温度，T u 值由图2中惠斯通电桥平衡原 理计算得到；项
Figure 997297DEST_PATH_IMAGE074
对于确定的温度传感器而言为常值，故令
Figure 269884DEST_PATH_IMAGE075
，将 式
Figure 714772DEST_PATH_IMAGE076
进行变换得到
Figure 989896DEST_PATH_IMAGE077
；
通过定义仅受环境温度影响
Figure 226842DEST_PATH_IMAGE078
项的函数的零偏函数
Figure 296429DEST_PATH_IMAGE079
，其中，w1和w2温度漂移系数和零点偏移项系数，通过测量T 0 温度下V u0 、V d0 和T 1 温度下V u1 、V d1 即可计算出
Figure 369559DEST_PATH_IMAGE080
；通过零偏函数ofs对
Figure 182794DEST_PATH_IMAGE081
的零点输出进行修正，因此可对周围环境温度变化产生的传感器输出偏移量进行修正。
本发明的有益效果是：
1、在流量传感器上部增加温度传感器，通过温度传感器的温度反馈防止环境温度的变化对流量传感器的测量输出造成干扰，并对环境温度变化导致的零点输出偏移进行修正，提供线性好，测量误差小的流量传感器测量方法；
2、利用温度传感器测量流量传感器周围环境的实时温度，进行实时环境温度补偿。预热时间短，仅需传感器通电达到工作温度，即可进行有效的流体流量测量。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明温控电路图；
图3为本发明实验测试设备连接图；
图4为典型的流量传感器与本发明流量传感器的质量电压变化随流量Q变化对比图；
图5为典型的流量传感器质量误差变化随流量Q变化对比图；
图6为本发明流量传感器的质量误差变化随流量Q变化对比图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施例作进一步的详细说明。
如图1为本发明的一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，包括以下步骤：
S1、采集流量传感器的上、下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为
Figure 149613DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 514735DEST_PATH_IMAGE083
，并将
Figure 199794DEST_PATH_IMAGE082
和
Figure 816720DEST_PATH_IMAGE083
转换为与电压大小相关的无量纲数值，作为计算流量Q的输入；
本实施例中采用温控电路如图2所示，热敏电阻Ru、Rd分别接入两个惠斯通电桥中，R1、R2为高精度低温漂电阻，Rt1、Rt2、Rt3及Rt4均为10K欧姆电阻；通过AD采样模块采集热敏电阻Ru、Rd的两端电压大小；本发明采用16位AD采样模块，输入电压0-5V，即采集到电压为5V时，AD采样模块输出数值为65536，故通过AD采样模块采集Ru和Rd两端电压并转换成跟电压大小相关的无量纲数值，以此作为流量计算的信号采集输入。
S2、利用数学式：
Figure 11947DEST_PATH_IMAGE016
，对流量传感器的输出流量Q进行 计算；
其中，
Figure 688916DEST_PATH_IMAGE017
为将温控电路的流量传感器输出值转换为流量的映射函数，ofs为零 偏函数，f(T)温度补偿修正函数；
如图3为本实施例实验设备连接图，本实施例实验过程如下：
首先关闭气路隔膜阀，此时，流经测试设备DUT的待标定质量流量传感器的真实流量为0，数据采集系统记录此时V u0 、V d0 及环境温度T 0 ；本实施例中测试设备DUT为流量传感器和温度传感器；
其次，开启气路隔膜阀，用流量控制器控制通过流量传感器的流量，用流量标准机检测通过流量传感器的真实流量；
再次，用流量控制器控制依次设定流量10%QF.S、20%QF.S、30%QF.S、40%QF.S、50%QF.S、60%QF.S、70%QF.S、80%QF.S、90%QF.S、100%QF.S，其中，QF.S为满量程流量；通过数据采集系统记录设定流量点时，信号采集输入
Figure 720326DEST_PATH_IMAGE084
，流量标准机测量流量值Q以及对应温度传感器测得的环境温度T；
再次，通过真实流量为0时，分别取V u0 、V d0 及环境温度T 0 （室温20度）和分别取V u1 、 V d1 及环境温度T 1 （室温30度）计算出当前流量计的零偏函数ofs中的w1温度漂移系数和w2零点偏移项系数；
最后，通过各流量设定点
Figure 609785DEST_PATH_IMAGE082
、
Figure 816775DEST_PATH_IMAGE083
流量标准机测量流量值Q以及对应环境温度T计算 出流量映射函数sensx中的
Figure 274433DEST_PATH_IMAGE085
系数，得到质量流量传感器的流量计算模型；
本实施例中流量传感器型号为FCP-TOCM100，对应的C=0.996；热敏电阻温升系数K =0.0052，T u =67.5℃，计算得到A=1.345596；结合温度传感器测得的周围环境温度T，即可实 时计算当前周围温度下的温度补偿修正函数
Figure 996401DEST_PATH_IMAGE086
；
图4上半图是典型的流量传感器环境温度基准项
Figure 538153DEST_PATH_IMAGE030
，随着流体流量Q增加而 增大，流体流量Q由0-100%增加时产生约O.4×109（电压相关无量纲数）的波动，图4下半图 为本发明的流量传感器环境温度基准项
Figure 334070DEST_PATH_IMAGE087
，流体流量Q由0-100%增加时产生约 O.2×109的波动，整体波动幅度降低一半，而且波动较为平缓；因此，可以认为本发明流量 传感器环境温度基准项与典型的流量传感器环境温度基准项相比，不易受到流量Q的影响， 仅相对于周围的温度的变化而大幅度地发生变化。
图5的纵轴表示相对于流过导管的实际的流量Q的输出误差，横轴表示流过导管的 设定的流量Q；对于典型的流量传感器环境温度基准项
Figure 211897DEST_PATH_IMAGE030
而言，周围的温度越高，则 温度的误差变得非常大；流量Q由0-100%增加时不同温度的误差范围在1%-11%之间，图6是 本发明传感器环境温度基准项
Figure 358844DEST_PATH_IMAGE087
的流量Q由0-100%增加时不同温度的误差范围 在0.9%-1.8%，误差波动范围明显变小；
另外，典型的流量传感器环境温度基准项
Figure 465472DEST_PATH_IMAGE030
的测试温度分别为10℃、15℃、 25℃、35℃；本发明的测试温度的低温测到5℃，高温测到40℃，故实际本发明的数据组实验 的低温更低，高温更高，结合15℃、25℃同温对比，5℃、40℃为低、高温对比，说明本发明降 低了流量精度受环境温度影响，对周围的温度变化及流量Q的变化的抵抗程度大幅提升。
本发明的有益效果是在流量传感器上部增加温度传感器，通过温度传感器的温度反馈防止环境温度的变化对流量传感器的测量输出造成干扰，并对环境温度变化导致的零点输出偏移进行修正，提供线性好，测量误差小的流量传感器测量方法。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集流量传感器的上、下游热敏电阻对应的温控电路输出电压为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，并将
Figure DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure DEST_PATH_IMAGE003
转换为与电压大小相关的无量纲数值，作为计算流量Q的输入；
S2、利用数学式：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
，对流量传感器的输出流量Q进行计 算，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为将温控电路的流量传感器输出值转换为流量的映射函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为零偏函 数；f(T)温度补偿修正函数，T为温度传感器测得的环境温度；
所述温度补偿修正函数为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，其中，K为热敏电阻温升系数，T u为热敏电阻R u 的温度，其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
，C为室温时上下游热敏电阻的电阻相对误差 率。
2.如权利要求1所述的基于环境测温补偿的流量传感器流量计算方法，其特征在于，所 述零偏函数的数学式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，其中，w1和w2温度漂移系数和零点偏移项系 数。
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