CN114777863A - 一种多组分气体流量补偿装置及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多组分气体流量补偿装置，包括：气体主流道、一组分流道和出气通道，所述分流道设于气体主流道的一侧，所述出气通道设于分流道远离气体主流道的一端，所述气体主流道和分流道内分别设有第一传感器和第二传感器，且气体主流道与分流道内的流速不同，并呈非线性关系。本发明通过设置多个流道，并在流道布置至少两个热式流量传感器，对多个流量信号进行耦合处理，消除介质物性对流量信号输出的影响，获得的气体流量与介质无关传感器输出之间的定量关系，流量计无需集成组分或物性检测传感器，也无需通过实气标定获取气体转换系数，大大简化标定和检测流程，提高了热式气体质量流量计在多组分气体计量领域精准度和适应性。

Description

一种多组分气体流量补偿装置及补偿方法

技术领域

本发明属于流量计技术领域，特别涉及一种多组分气体流量补偿装置及补偿方法。

背景技术

热式气体质量流量计是基于流体传热学原理，即利用流体与传感器热源之间热量交换关系来测量气体流量的技术。根据热式气体流量计量的基本原理，热式气体质量流量计的计量输出同时取决于气体质量流速、热力学物性和仪表结构参数，被测气体的组分、温度或压力等因素发生改变会导致气体物性发生改变，进而影响热式气体质量流量计的计量输出，造成较大的测量误差。因此，为提高MEMS热式计量仪表的精准性和环境适用性，需要对上述变量波动引起的偏差进行实时补偿修正。

关于热式计量仪表的在线组分识别与修正是MEMS流量计量行业的研究热点，现有技术主要采用集成物性传感器检测介质热物性参数并换算气体转换系数的方法进行在线的流量修正。该方法对于物性传感器的检测精度和环境适用性要求较高，需要对多个热物性参数和流量进行同步检测。对于复杂的多组分气体和实际检测环境，存在更多的不确定性，若物性检测精度得不到保证，则会对热式气体流量计的计量精准性带来更大的偏差。

因此，需要提出一种不依赖于在线物性检测的热式气体质量流量计在线实时修正方法，提高热式气体质量流量计在多组分混合气体计量领域的精准度和适应性。

发明内容

发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种多组分气体流量补偿装置，其结构简单，设计合理，易通过在流道布置两个(或两个以上)的热式流量传感器，并对多个流量信号进行耦合处理，消除介质物性对流量信号输出的影响，获得的气体流量与介质无关传感器输出之间的定量关系，解决了气体组分检测缺乏实时性且局限于特定气体类型的问题，提高了热式气体质量流量计在多组分气体计量领域的精准度和适应性。

技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种多组分气体流量补偿装置，包括：气体主流道、一组分流道和出气通道，所述分流道设于气体主流道的一侧，所述出气通道设于分流道远离气体主流道的一端，所述气体主流道和分流道内分别设有第一传感器和第二传感器，且主流道与分流道内的流速不同并呈非线性关系。本发明所述的一种多组分气体流量补偿装置，结构简单，设计合理，用于生产，设计合理，用于生产，通过设置多个流道，并在流道布置两个(或两个以上)的热式流量传感器，并对多个流量信号进行耦合处理，消除介质物性对流量信号输出的影响，获得的气体流量与介质无关传感器输出之间的定量关系，由于改进后流量计无需集成组分或物性检测传感器，也无需通过实气标定获取气体转换系数，大大简化标定和检测流程，很好的解决了气体组分检测缺乏实时性且局限于特定气体类型的问题，有效提高了热式气体质量流量计在多组分气体计量领域的精准度和适应性。

其中，所述分流道包括第一流道和第二流道，所述第一流道和第二流道内均内设有阻流件。阻流件的设置，能够有效的保证气体主流道和分流道之间的非线性关系。

进一步的，所述第一流道内设有第二传感器。

进一步的，所述第二流道内设有第二传感器。

进一步的，所述第一流道和第二流道内均设有第二传感器。

优选的，所述第一传感器和第二传感器均采用MEMS量热型流量传感器。

优选的，所述第一传感器采用MEMS量热型流量传感器，所述第二传感器采用MEMS风速计传感器或者MEMS飞行时间传感器。

本发明中所述的多组分气体流量补偿装置的标定流程，具体的标定流程如下：

1)：参考气体各流道传感器流量检测；

2)：通过对各流量传感器进行耦合处理，消除介质物性影响，获得流量组合输出项并建立其与参考气体介质流量之间的定量关系；

3)：改变被测气体温度和压力，进行标定曲线的物性无关性验证，即若查询值与真实值一致则标定流程结束，若查询值与真实值不一样，则返回2)对拟合关系进行调整。

本发明中所述的多组分气体流量补偿装置的补偿方法，具体的标定方法如下：

在流道中设置至少两个热式流量传感器，采用相同的MEMS量热式流量传感器型式，通过流道设计使得各流道流速不尽相同，且至少一个流道的流速变化与主流道流速u呈非线性变化，即u1＝u1(u)，u2＝u2(u)，……，un＝un(u)；所述支路流道可设置阻力件，用于调整支路流速un与主流道流速u之间的非线性关系；

S1：以空气或氮气等介质为参考气体，测得不同主流道流速u下对应的各支路流道传感器的电压输出U(△T(u),α)、U1(△T(u1),α)、U2(△T(u2),α)、……、Un(△T(un),α)，并通过数据拟合等方法获得主流速度u与主路传感器电压输出U之间的定量关系，即初始标定曲线；

所述定量关系如下：u～U(△T(u),α)；

根据初始标定曲线u～U(△T(u),α)及各传感器电压输出信号确定各流道流速；所述各传感器电压输出信号包括U1(△T(u1),α)、U2(△T(u2),α)、……、Un(△T(un,α))；

所述确定各流道流速方法为将各传感器电压输出信号带入初始标定曲线拟合式或查询初始标定关系u～U(△T(u),α)映射表；所述各流道流速包括第一流道流速u1、第二流道流速u2、……、流道n流速un；

根据不同流速下的各流道流速u及传感器电压输出信号U得到各流道的初始标定曲线u1～U1(△T(u1),α)、u2～U2(△T(u2),α)、……、un～Un(△T(un),α)；

所述第一传感器和第二传感器采用传感器的结构型式及工作原理完全一致的MEMS量热式流量传感器，则各传感器的初始标定曲线或定量关系具有统一或相似的数学表达形式，包括如下数学形式：

……

其中，u、u1、u2和un分别为不同流道对应的被测气体流速；α为被测气体物性参数项，其包括但不限于热导率、体积热容和热扩散系数等单一物性或者任意两个或多个物性的数学组合；△T为流量传感器原始信号数据，对于MEMS量热式流量传感器主要为加热元件上下游测温元件的温度差；c1、c2为与传感器几何结构、流道结构相关的仪表参数；U为流量传感器原始信号△T经测量电桥转换的电压输出信号；

对各传感器输出进行耦合处理，获得各传感器组合输出f(U(ΔT),U(ΔT_n)),并建立气体流量与传感器组合输出项之间定量关系u～f(U(ΔT),U(ΔT_n))；所述对各流量传感器输出进行耦合处理，包括但不限于对各传感器输出信号进行加、减、乘、除和幂函数等数学运算，用于消除物性参数项α；所述耦合处理方法是根据相似理论对各传感器的标定关系进行数学换算处理，消除初始标定关系中的物性参数项α，得到基于各传感器初始输出信号的组合输出项；

所述各传感器组合输出包括如下形式：

或者

f(U(ΔT)，U(ΔT_n))＝c1*ΔTⁿ¹+c2*ΔT_n ⁿ²+c3

经过耦合处理的传感器组合输出项只与各流量传感器的原始信号ΔT相关，即为各流量传感器初始电压输出信号U的函数；

其中，ΔT、ΔT_n为第一流道和任意其它流道n的流量传感器上下游测温元件温差信号输出，c1、c2、c3、n1、n2……为与传感器几何结构、流道结构相关的仪表系数；

所述u与包括气体主流道在内的各流道传感器输出信号之间的定量关系如下：

u～f(U，U1，U2，……，Un)＝f(△T(u)、△T(u1),△T(u2),……，△T(un))

所述各流道传感器输出信号至少包括主流道、分流道任意两个或多个流道的流量传感器输出；

S3：改变参考气体的温度或者压力，使得被测气体的密度、体积热容、导热系数等单一物性或者任意两个或多个物性的数学组合发生改变；基于标定曲线查询获得介质流量，并与标定装置输出的真实流量进行一致性验证；若查询值与真实值一致，即

则标定流程结束；若查询值与真实值不一致，即

则返回步骤二对拟合关系进行调整；

其中，C为一致性验证偏差控制阈值，由人为根据偏差需求设定。

本发明中所述的多组分气体流量补偿装置的标定流程，所述第一传感器和第二传感器的检测流程如下：

1)：各个流道传感器进行流量检测，即气体主流道和分流道中的第一传感器和第二传感器获得通过介质在不同气体流速对应的传感器的输出信号U、U1、U2、……、Un；

2)：传感器流量组合输出项计算：根据标定阶段获得传感器耦合处理方法，计算传感器组合输出项f(U，U1，U2，……，Un)；

3)：流量计量：根据步骤二获得传感器组合输出项f(U，U1，U2，……，Un)，查流量传感器标定曲线或数据映射表，u～f(U，U1，U2，……，Un)，获得真实气体流速；所述气体流速包括体积流量u，标准体积流量V和质量流量m；

且在上述检测过程中，当被测介质为组分相对稳定的单一组分气体或多组分气体时，各传感器输出均可作为单独的计量模块直接使用。

上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：

1、本发明所述的一种多组分气体流量补偿装置，结构简单，设计合理，用于生产，通过设置多个流道，并在流道布置两个(或两个以上)的热式流量传感器，并对多个流量信号进行耦合处理，消除介质物性对流量信号输出的影响，获得的气体流量与介质无关传感器输出之间的定量关系，由于改进后流量计无需集成组分或物性检测传感器，也无需通过实气标定获取气体转换系数，大大简化标定和检测流程，很好的解决了气体组分检测缺乏实时性且局限于特定气体类型的问题，有效提高了热式气体质量流量计在多组分气体计量领域的精准度和适应性。

2、本发明通过对多个流量信号进行耦合处理，消除标定关系中的物性项，无需设置物性检测传感器和实气标定，采用空气或氮气等常见介质一次标定后即可用于任意气体计量，大大简化仪表标定流程，降低了MEMS热式气体流量计的工程实现成本。

3、本发明中所述分流道包括第一流道和第二流道，所述第一流道和第二流道内均设有阻流件。阻流件的设置，依靠流道的流动状态差异性(层流和湍流)控制流道的沿程压力损失，进而改变各流道的流体流量或者速度，能够有效的保证气体主流道和分流道之间的非线性关系。

附图说明

图1为本发明所述的多组分气体流量补偿装置的结构示意图；

图2为本发明中MEMS热式气体质量流量计的标定流程示意图；

图3为本发明中MEMS热式气体质量流量计的检测流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。

实施例

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例1

如图所示的一种多组分气体流量补偿装置，包括：气体主流道1、一组分流道2和出气通道3，所述分流道2设于气体主流道1的一侧，所述出气通道3设于分流道2远离气体主流道1的一端，所述气体主流道1和分流道2内分别设有第一传感器4和第二传感器5，且主流道1与分流道2内的流速不同并呈非线性关系。

本实施例中所述分流道2包括第一流道21和第二流道22，所述第一流道21和第二流道内均22内均设有阻流件6。

本实施例中所述第一流道21内设有第二传感器5。

本实施例中所述第一传感器4和第二传感器5均采用MEMS量热型流量传感器。

实施例2

如图所示的一种多组分气体流量补偿装置，包括：气体主流道1、一组分流道2和出气通道3，所述分流道2设于气体主流道1的一侧，所述出气通道3设于分流道2远离气体主流道1的一端，所述气体主流道1和分流道2内分别设有第一传感器4和第二传感器5，且主流道1与分流道2内的流速不同并呈非线性关系。

本实施例中所述分流道2包括第一流道21和第二流道22，所述第一流道21和第二流道内均22内设有阻流件6。

本实施例中所述第二流道22内设有第二传感器5。

本实施例中所述第一传感器4采用MEMS量热型流量传感器，所述第二传感器5采用MEMS风速计传感器或者MEMS飞行时间传感器。

实施例3

如图所示的一种多组分气体流量补偿装置，包括：气体主流道1、一组分流道2和出气通道3，所述分流道2设于气体主流道1的一侧，所述出气通道3设于分流道2远离气体主流道1的一端，所述气体主流道1和分流道2内分别设有第一传感器4和第二传感器5，且主流道1与分流道2内的流速不同并呈非线性关系。

本实施例中所述分流道包括分流道包括第一流道21和第二流道22，所述第一流道21和第二流道内均22内设有阻流件6。所述阻流件6采用流体挡板或阻流块或者波纹管，且所述阻流件6为刚性结构，也可为根据受力情况发生改变形变的弹性结构。

本实施例中所述第一流道21和第二流道22内均设有第二传感器5。

本实施例中所述第一传感器4采用MEMS量热型流量传感器，所述第二传感器5采用MEMS风速计传感器或者MEMS飞行时间传感器。

实施例4

本实施例中所述多组分气体流量补偿装置的结构与实施例1或者实施例2或者实施例3中的结构相同。

本实施例中所述的多组分气体流量补偿装置的补偿方法，具体的标定流程如下：

1)：参考气体各流道传感器流量检测；

2)：通过对各流量传感器进行耦合处理，消除介质物性影响，获得流量组合输出项并建立其与参考气体介质流量之间的定量关系；

3)：改变被测气体温度和压力，进行标定曲线的物性无关性验证，即若查询值与真实值一致则标定流程结束，若查询值与真实值不一样，则返回2)对拟合关系进行调整。

本实施例中所述的多组分气体流量补偿装置的标定流程，在流道中设置两个(或两个以上)的热式流量传感器，采用相同的MEMS量热式流量传感器型式，通过流道设计使得各流道流速(u、u1、u2、……、un)不尽相同，且至少一个流道的流速变化与主流道流速u呈非线性变化，即u1＝u1(u)，u2＝u2(u)，……，un＝un(u)；所述支路流道可设置阻力件，用于调整支路流速un与主流道流速u之间的非线性关系；

所述热式流量传感器包括但不限于MEMS量热型流量传感器，也可为MEMS热线式风速计传感器或者飞行时间传感器。优选各传感器的结构型式及工作原理一致；可选地，各传感器的结构型式及工作原理不一致，包括但不限于如下情况：主流道传感器为MEMS量热型流量传感器，支路流道为MEMS热线是风速计传感器或者飞行时间传感器；或者，主流道和支路流道传感器采用相同的MEMS量热型流量传感器，前者工作模式采用恒温差方式(CTD)，流量传感器的一次输出信号为加热元件上下游温差，后者工作模式采用恒功率方式(CP)，或者后者也采用恒温差(CTD)工作模式，但传感器一次输出信号为加热元件的功率；

所述各流道流速不尽相同，主要指各流道具有不同的流体流速，即u1≠u2，也包括某一支路流道流速为零或者接近临界速率；

所述非线性关系的建立可以通过流体流型(层流或湍流)或阻力件结构设计实现。其中，所述通过流体流型建立不同流道之间的非线性关系，主要指依靠流道的流动状态差异性(层流和湍流)控制流道的沿程压力损失，进而改变各流道的流体流量或者速度。所述通过阻力件结构设计建立不同流道之间的非线性关系，包括在流道中设置阻力件、改变流道结构或壁面粗糙度等方式，如流体挡板或阻流块、波纹管等；所述阻力件为刚性结构，也可为根据受力情况发生改变形变的弹性结构；

所述热式流量传感器包括但不限于MEMS量热型流量传感器，也可为MEMS热线式风速计传感器或者飞行时间传感器。优选各传感器的结构型式及工作原理一致；可选地，各传感器的结构型式及工作原理不一致，包括但不限于如下情况：主流道传感器为MEMS量热型流量传感器，支路流道为MEMS热线是风速计传感器或者飞行时间传感器；或者，主流道和支路流道传感器采用相同的MEMS量热型流量传感器，前者工作模式采用恒温差方式(CTD)，流量传感器的一次输出信号为加热元件上下游温差，后者工作模式采用恒功率方式(CP)，或者后者也采用恒温差(CTD)工作模式，但传感器一次输出信号为加热元件的功率；

所述各流道流速不尽相同，主要指各流道具有不同的流体流速，即u1≠u2，也包括某一支路流道流速为零或者接近临界速率；

所述非线性关系的建立可以通过流体流型(层流或湍流)或阻力件结构设计实现。其中，所述通过流体流型建立不同流道之间的非线性关系，主要指依靠流道的流动状态差异性(层流和湍流)控制流道的沿程压力损失，进而改变各流道的流体流量或者速度。所述通过阻力件结构设计建立不同流道之间的非线性关系，包括在流道中设置阻力件、改变流道结构或壁面粗糙度等方式，如流体挡板或阻流块、波纹管等；所述阻力件为刚性结构，也可为根据受力情况发生改变形变的弹性结构；

具体的标定方法如下：

S1：以空气或氮气等介质为参考气体，测得不同主流道流速u下对应的各支路流道传感器的电压输出U(△T(u),α)、U1(△T(u1),α)、U2(△T(u2),α)、……、Un(△T(un),α)，并通过数据拟合等方法获得主流速度u与主路传感器电压输出U之间的定量关系，即初始标定曲线；

所述定量关系如下：u～U(△T(u),α)；

根据初始标定曲线u～U(△T(u),α)及各传感器电压输出信号确定各流道流速；所述各传感器电压输出信号包括U1(△T(u1),α)、U2(△T(u2),α)、……、Un(△T(un,α))；

所述确定各流道流速方法为将各传感器电压输出信号带入初始标定曲线拟合式或查询初始标定关系u～U(△T(u),α)映射表；所述各流道流速包括第一流道流速u1、第二流道流速u2、……、流道n流速un；

根据不同流速下的各流道流速u及传感器电压输出信号U得到各流道的初始标定曲线u1～U1(△T(u1),α)、u2～U2(△T(u2),α)、……、un～Un(△T(un),α)；

所述第一传感器(4)和第二传感器(5)采用传感器的结构型式及工作原理完全一致的MEMS量热式流量传感器，则各传感器的初始标定曲线或定量关系具有统一的数学表达形式，包括如下数学形式：

……

其中，u、u1、u2和un分别为不同流道对应的被测气体流速；α为被测气体物性参数项，其包括但不限于热导率、体积热容和热扩散系数等单一物性或者任意两个或多个物性的数学组合；△T为流量传感器原始(或一次)信号数据，对于MEMS量热式流量传感器主要为加热元件上下游测温元件的温度差；c1、c2为与传感器几何结构、流道结构相关的仪表参数；U为流量传感器原始(或一次)信号△T经测量电桥转换的电压输出信号；

对各传感器输出进行耦合处理，获得各传感器组合输出f(U(ΔT)，U(ΔT_n))，并建立气体流量与传感器组合输出项之间定量关系u～f(U(ΔT)，U(ΔT_n))；所述对各流量传感器输出进行耦合处理，包括但不限于对各传感器输出信号进行加、减、乘、除和幂函数等数学运算，用于消除物性参数项α；所述耦合处理方法是根据相似理论对各传感器的标定关系进行数学换算处理，消除初始标定关系中的物性参数项α，得到基于各传感器初始输出信号的组合输出项；

所述各传感器组合输出包括如下形式：

或者

f(U(ΔT)，U(ΔT_n))＝c1*ΔTⁿ¹+c2*ΔT_n ⁿ²+c3

经过耦合处理的传感器组合输出项只与各流量传感器的原始(或一次)信号ΔT相关，即为各流量传感器初始电压输出信号U的函数；

其中，ΔT、ΔT_n为第一流道和任意其它流道n的流量传感器上下游测温元件温差信号输出，c1、c2、c3、n1、n2、……为与传感器几何结构、流道结构相关的仪表系数；

所述u与包括气体主流道(1)在内的各流道传感器输出信号之间的定量关系如下：

u～f(U，U1，U2，……，Un)＝f(△T(u)、△T(u1),△T(u2),……，△T(un))

所述各流道传感器输出信号至少包括主流道、分流道(2)任意两个或多个流道的流量传感器输出；

S3：改变参考气体的温度或者压力，使得被测气体的密度、体积热容、导热系数等单一物性或者任意两个或多个物性的数学组合发生改变；基于标定曲线查询获得介质流量，并与标定装置输出的真实流量进行一致性验证；若查询值与真实值一致，即

则标定流程结束；若查询值与真实值不一致，即

则返回步骤二对拟合关系进行调整；

其中，C为一致性验证偏差控制阈值，由人为根据偏差需求设定。

可选地，各传感器的结构型式及工作原理不一致，第一传感器(4)输出信号为MEMS量热型流量传感器电压输出信号，第二传感器(5)为MEMS热线式风速计传感器或者飞行时间传感器的原始电压输出信号或经过处理的电压输出信号，其为原始电压输出信号的函数；

可选地，各传感器采用相同的结构型式和工作原理但原始采集信号不同，气体主流道(1)和分流道(2)中的第一传感器(4)和第二传感器(5)采用相同的MEMS量热型流量传感器，基于相同的恒温差方式(CTD)，前者采集信号是流量传感器的原始(或一次)输出信号为加热元件上下游温差的函数；后者采集信号是流量传感器加热元件功率的函数；

可选地，第一传感器(4)和第二传感器(5)采用相同的结构型式但工作原理不一致，气体主流道(1)和分流道(2)中的第一传感器(4)和第二传感器(5)采用相同的MEMS量热型流量传感器，前者工作模式采用恒温差方式(CTD)，流量传感器的原始(或一次)输出信号为加热元件上下游温差的函数；后者工作模式采用恒功率方式(CP)工作模式，流量传感器的原始(或一次)输出信号也为加热元件上下游温差的函数。

本实施例中所述的多组分气体流量补偿装置的标定流程，所述第一传感器(4)和第二传感器(5)的检测流程如下：

1)：各个流道传感器进行流量检测，即气体主流道(1)和分流道(2)中的第一传感器(4)和第二传感器(5)获得通过介质在不同气体流速(体积u、标准体积V、质量m)对应的传感器的输出信号U、U1、U2、……、Un；

2)：传感器流量组合输出项计算：根据标定阶段获得传感器耦合处理方法，计算传感器组合输出项f(U，U1，U2，……，Un)；

3)：流量计量：根据步骤二获得传感器组合输出项f(U，U1，U2，……，Un)，查流量传感器标定曲线或数据映射表，u～f(U，U1，U2，……，Un)，获得真实气体流速；所述气体流速包括体积流量u，标准体积流量V和质量流量m；

且在上述检测过程中，当被测介质为组分相对稳定的单一组分气体或多组分气体时，各传感器输出均可作为单独的计量模块直接使用。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多组分气体流量补偿装置，其特征在于：包括：气体主流道(1)、一组分流道(2)和出气通道(3)，所述分流道(2)设于气体主流道(1)的一侧，所述出气通道(3)设于分流道(2)远离气体主流道(1)的一端，所述气体主流道(1)和分流道(2)内分别设有第一传感器(4)和第二传感器(5)，且气体主流道(1)与各个分流道(2)内的流速不同，两者呈非线性关系。

2.根据权利要求1所述的多组分气体流量补偿装置，其特征在于：所述分流道(2)包括第一流道(21)和第二流道(22)，所述第一流道(21)和第二流道内均(22)内设有阻流件(6)，所述第一流道(21)或第二流道(22)的流速与主流道(1)流速不同且呈非线性关系。

3.根据权利要求2所述的多组分气体流量补偿装置，其特征在于：所述第一流道(21)内设有第二传感器(5)。

4.根据权利要求2所述的多组分气体流量补偿装置，其特征在于：所述第二流道(22)内设有第二传感器(5)。

5.根据权利要求2所述的多组分气体流量补偿装置，其特征在于：所述第一流道(21)和第二流道(22)内均设有第二传感器(5)。

6.根据权利要求2所述的多组分气体流量补偿装置，其特征在于：所述第一传感器(4)和第二传感器(5)均采用MEMS量热型流量传感器。

7.根据权利要求2所述的多组分气体流量补偿装置，其特征在于：所述第一传感器(4)采用MEMS量热型流量传感器，所述第二传感器(5)采用MEMS风速计传感器或者MEMS飞行时间传感器。

8.根据权利要求6所述的多组分气体流量补偿装置的补偿方法，其特征在于：具体的标定流程如下：

1)：参考气体各流道传感器流量检测；

2)：通过对各流量传感器进行耦合处理，消除介质物性影响，获得流量组合输出项并建立其与参考气体介质流量之间的定量关系；

3)：改变被测气体温度和压力，进行标定曲线的物性无关性验证，即若查询值与真实值一致则标定流程结束，若查询值与真实值不一样，则返回2)对拟合关系进行调整。

9.根据权利要求8所述的多组分气体流量补偿装置的补偿方法，其特征在于：具体的标定方法如下：

在流道中设置至少两个热式流量传感器，采用相同的MEMS量热式流量传感器型式，通过流道设计使得各流道流速(u、u1、u2、……、un)不尽相同，且至少一个流道的流速变化与主流道流速u呈非线性变化，即u1＝u1(u)，u2＝u2(u)，……，un＝un(u)；所述支路流道可设置阻力件，用于调整支路流速un与主流道流速u之间的非线性关系；S1：以空气或氮气等介质为参考气体，测得不同主流道流速u下对应的各支路流道传感器的电压输出U(△T(u),α)、U1(△T(u1),α)、U2(△T(u2),α)、……、Un(△T(un),α)，并通过数据拟合等方法获得主流速度u与主路传感器电压输出U之间的定量关系，即初始标定曲线；

所述定量关系如下：u～U(△T(u),α)；

根据初始标定曲线u～U(△T(u),α)及各传感器电压输出信号确定各流道流速；所述各传感器电压输出信号包括U1(△T(u1),α)、U2(△T(u2),α)、……、Un(△T(un,α))；

所述确定各流道流速方法为将各传感器电压输出信号带入初始标定曲线拟合式或查询初始标定关系u～U(△T(u),α)映射表；所述各流道流速包括第一流道流速u1、第二流道流速u2、……、流道n流速un；

根据不同流速下的各流道流速u及传感器电压输出信号U得到各流道的初始标定曲线u1～U1(△T(u1),α)、u2～U2(△T(u2),α)、……、un～Un(△T(un),α)；

所述第一传感器(4)和第二传感器(5)采用传感器的结构型式及工作原理完全一致的MEMS量热式流量传感器，则各传感器的初始标定曲线或定量关系具有统一数学表达形式，包括如下数学形式：

……

其中，u、u1、u2和un分别为不同流道对应的被测气体流速；α为被测气体物性参数项，其包括但不限于热导率、体积热容和热扩散系数等单一物性或者任意两个或多个物性的数学组合；△T为流量传感器原始(或一次)信号数据，对于MEMS量热式流量传感器主要为加热元件上下游测温元件的温度差；c1、c2为与传感器几何结构、流道结构相关的仪表参数；U为流量传感器原始(或一次)信号△T经测量电桥转换的电压输出信号；

对各传感器输出进行耦合处理，获得各传感器组合输出f(U(ΔT，U(ΔT_n))，并建立气体流量与传感器组合输出项之间定量关系u～f(U(ΔT)，U(ΔT_n))；所述对各流量传感器输出进行耦合处理，包括但不限于对各传感器输出信号进行加、减、乘、除和幂函数等数学运算，用于消除物性参数项α；所述耦合处理方法是根据相似理论对各传感器的标定关系进行数学换算处理，消除初始标定关系中的物性参数项α，得到基于各传感器初始输出信号的组合输出项；

所述各传感器组合输出包括如下形式：

或者

f(U(ΔT)，U(ΔT_n))＝c1*ΔTⁿ¹+c2*ΔT_n ⁿ²+c3

经过耦合处理的传感器组合输出项只与各流量传感器的原始(或一次)信号ΔT相关，即为各流量传感器初始电压输出信号U的函数；

其中，ΔT、ΔT_n为主流道和任意其它分流道n的流量传感器上下游测温元件温差信号输出，c1、c2、c3、n1、n2……为与传感器几何结构、流道结构相关的仪表系数；

所述u与包括气体主流道(1)在内的各流道传感器输出信号之间的定量关系如下：

u～f(U，U1，U2，……，Un)＝f(△T(u)、△T(u1),△T(u2),……，△T(un))

所述各流道传感器输出信号至少包括气体主流道(1)、分流道(2)任意一个或多个流道的流量传感器输出；

S3：改变参考气体的温度或者压力，使得被测气体的密度、体积热容、导热系数等单一物性或者任意两个或多个物性的数学组合发生改变；基于标定曲线查询获得介质流量，并与标定装置输出的真实流量进行一致性验证；若查询值与真实值一致，即

则标定流程结束；若查询值与真实值不一致，即

则返回步骤二对拟合关系进行调整；

其中，C为一致性验证偏差控制阈值，由人为根据偏差需求设定。

10.根据权利要求8所述的多组分气体流量补偿装置的标定流程，其特征在于：所述第一传感器(4)和第二传感器(5)的检测流程如下：

1)：各个流道传感器进行流量检测，即气体主流道(1)和分流道(2)中的第一传感器(4)和第二传感器(5)获得通过介质在不同气体流速(体积u、标准体积V、质量m)对应的传感器的输出信号U、U1、U2、……、Un；

2)：传感器流量组合输出项计算：根据标定阶段获得传感器耦合处理方法，计算传感器组合输出项f(U，U1，U2，……，Un)；

3)：流量计量：根据步骤二获得传感器组合输出项f(U，U1，U2，……，Un)，查流量传感器标定曲线或数据映射表，u～f(U，U1，U2，……，Un)，获得真实气体流速；所述气体流速包括体积流量u，标准体积流量V和质量流量m；

且在上述检测过程中，当被测介质为组分相对稳定的单一组分气体或多组分气体时，各传感器输出均可作为单独的计量模块直接使用。

Images