CN201514246U

CN201514246U - 插入式热式液体质量流量计

Info

Publication number: CN201514246U
Application number: CN2009202360720U
Authority: CN
Inventors: 陈柏志
Original assignee: EMA ELECTRONICS Ltd
Current assignee: EMA ELECTRONICS Ltd
Priority date: 2009-09-23
Filing date: 2009-09-23
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2019-09-23

Abstract

一种插入式热式液体质量流量计，包括电路部分和结构部分，电路部分设在结构部分内；所述结构包括探头和主体，探棒与主体连接；所述电路部分包括电源、检测部分和信号处理电路，所述电源为检测部分和信号处理电路供电；所述检测部分的输出端经A/D转换后连接信号处理电路的输出端，信号处理电路的输出端即为本流量计的输出端。本流量计解决了可以检测大流量液体的问题。

Description

插入式热式液体质量流量计

技术领域

本实用新型涉及仪器仪表行业中的热式质量流量计，尤其是涉及一种可以测量液体的插入式热式液体质量流量计。

背景技术

在热式质量流量计仪表技术领域中，传统的热式质量流量计主要有两类：一种是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的热分布式流量计；另一种是利用热消散(冷却)效应的金氏定律TFM。又由于结构上检测元件伸入测量管内，也称浸入型或侵入型，有些在使用时从管外插入工艺管内的仪表称作插入式。它们以测量气体最为多见，有部分产品可以测量液体，但只能测量微小流量的液体，最大流速为80cm/s，而且在测量微小流量时还存在散热太快不易聚集的问题，大流量更是无法测量。以上的这些就是传统的热式质量流量计不能解决的问题，所以如何克服以上的这些不足就成为热式质量流量仪表技术领域中急需解决的任务。

发明内容

为了解决现有技术中，热式质量计只可以测量气体和微小流量液体、在测量微小流量时存在散热太快、无法测量较大流量的液体等问题，本实用新型提供了一种可以测量液体的热式液体质量流量计，且不局限在微小流量范围，可以测量较大流量，最高上限流速为300cm/s，流量大小根据管道面积的不同而有所不同。

流量公式Q＝AV---------------------------------------------------------①

其中：Q：体积流量(m³/s；)；A：面积(m²)指流量在满管道状态管道内部面积；V：平均流速(m/s)。

本实用新型的技术方案是，一种插入式热式液体质量流量计，包括电路部分和结构部分，电路部分设在结构部分内；所述结构包括探头和主体，探棒与主体连接；所述电路部分包括电源、检测部分和信号处理电路，所述电源为检测部分和信号处理电路供电；所述检测部分的输出端经A/D转换后连接信号处理电路的输出端，信号处理电路的输出端即为本流量计的输出端。

所述检测部分设在探头内；检测部分包括两组，一组是铂电阻RT和发热电阻RW，另一组是铂电阻RF，两组传感器设在两只探头内；所述设有铂电阻RT和发热电阻RW的探头是加热探头，该加热探头内，铂电阻和发热电阻绝缘密贴，设在探头顶端，在铂电阻和发热电阻后端设有隔热材料；设有铂电阻RF是基准探头，该基准探头内，铂电阻和设在探头顶端。隔热材料是设有铁氟龙的隔热气室。所述加热探头外是抛光的。

所述加热探头长度比基准探头长。

所述信号处理电路包括MCU，MCU的控制信号输出端连接一开关管的控制端，该开关管的输入端连接所述电源，开关管的输出端连接所述发热电阻RW。还包括基准电压电路，所述基准电压电路的输入端连接所述电源，基准电压电路的输出构成恒压源。还包括电阻R1和R2，所述铂电阻RT、铂电阻RF、电阻R1和R2构成桥式电路；桥式电路中，电阻R1和铂电阻RT串联，电阻R2和铂电阻RF串联，电阻R1和电阻R2的输入端都连接所述恒压源；所述电阻R1和电阻R2的输出端分别连接所述铂电阻RT和铂电阻RF。还包括运算放大器，所述电阻R1和电阻R2的输出端分别连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端经A/D转换后连接所述MCU的输入端。

本热式液体质量流量计的原理如下：

检测部分由两个探头组成：一个是加热探头，内含高精度铂电阻PT1000和精密发热电阻(型号：玻璃电阻20Ω、1W)；另一个是基准探头，内含高精度铂电阻PT1000。加热探头测量流速，基准探头测量介质流速的温度。

电路采用标准恒温差法，即通过单片机PWM波控制发热体热量，达到桥路平衡的目的，通过记录PWM不同流速下的数字量计算流速值，根据管径计算流量。采用通用补偿电桥解决介质温度变化的影响如图所示。

流量扩展方法如下：

由系统热平衡分析原理：当流量传感器被置于流量管道中，再流态稳定时，探头与周围介质处于近似的热平衡状态，这时探头、流体、测量杆和管道组成一个传热系统，此时的系统热平衡方程为：

P＝Q₁+Q₂+Q₃---------------------------------------------------------②

式中：P电流对热探头的加热功率；Q₁—热探头与流体见的对流换热；Q₂—热探头向测量杆构架的导热；Q₃—热探头向周围辐射的换热。

其中Q₁是与测量介质流速主要参数实际存在、不可消除的一种对流换热，而Q₂、Q₃的导热和换热可以通过一定的方式将其减小。众所周知，热式质量流量计测气体比测液体的范围大且容易实现，其中主要原因在于液体分子相对气体分子的运动要剧烈的多，这就使得在测量液体时的散热和辐射换热就相对的多一些，下面采用两种方式来实现：

第一，通过在加热探头内置一个铁氟龙的隔热气室，利用铁氟龙的绝热功能减小Q₂的导热。

第二，而探头抛光方式，减小发射率，有效的减小辐射换热Q₃。

除此之外，因一般的测小流量的热式质量流量计，用于发热的电阻为PT20，存在一些弊端：

第一，PT20自热后会产生大电流从而产生误差。

第二，PT20的分辨率较低。

根据铂电阻计算公式

Rt＝R_o[1+At+Bt²+C(t-100℃)t³]------------------------③

其中：Rt：当前温度电阻值(Ω)，R0：零度时电阻值(Ω)，A、B、C：为系数，

由上式计算分辨率＝0.08Ω/℃精确度和测量范围都较差。

第三，PT20常温功率只有0.2W其发热量有限。所以其测量液体的范围很小。

所以针对以上缺点，在电路上采用了两种方式来实现大流量和高精度，具体如下：

第一，加热探头，内含高精度铂电阻PT1000和精密发热电阻，精密发热电阻用来给高精度铂电阻PT1000加热，由于发热电阻功率“1W”其发热量可以提高5倍，同时可以有效的提高流量测量范围，如图2所示桥路采用恒流供电消除PT1000自热时产生大电流造成的误差。

第二，测流速的基准探头采用PT1000相对于传统方式的PT20而言，分辨率要高出很多，

根据公式③计算分辨率＝4Ω/℃。但电流恒定时其电压变化范围是PT20的200倍。由于采样电压的增大，在同样的分辨率A/D转换元件的情况下，流量范围得到扩展，测量精度得到提高。

第三，采用24位高精度的A/D转换，在5V供电的情况下，其分辨率可达0.298uV，使PT1000的采样精度更高，从而使测量的精度更高。

附图说明

图1本实用新型探头机构图。

图2本实用新型测量电路图。

具体实施方式

一种插入式热式液体质量流量计，包括电路部分和结构部分，电路部分设在结构部分内；所述结构包括探头和主体，探棒与主体连接；所述电路部分包括电源、检测部分和信号处理电路，所述电源为检测部分和信号处理电路供电；所述检测部分的输出端经A/D转换后连接信号处理电路的输出端，信号处理电路的输出端即为本流量计的输出端。

如图1所示，所述检测部分设在探头内；检测部分包括两组，一组是铂电阻RT和发热电阻RW，另一组是铂电阻RF，两组传感器设在两只探头内；所述设有铂电阻RT和发热电阻RW的探头是加热探头1，该加热探头1内，铂电阻RT和发热电阻RW绝缘密贴，设在探头1顶端，在铂电阻RT和发热电阻RW后端设有隔热材料；设有铂电阻RF是基准探头2，该基准探头2内，铂电阻RF和设在探头顶端。隔热材料是设有铁氟龙的隔热气室3。所述加热探头1外是抛光的。所述加热探头长度比基准探头长。

如图2，所述信号处理电路包括MCU，MCU的控制信号输出端连接一开关管的控制端，该开关管的输入端连接所述电源，开关管的输出端连接所述发热电阻RW。还包括基准电压电路，所述基准电压电路(例如DC/DC电路)的输入端连接所述电源，基准电压电路的输出构成恒压源。还包括电阻R1和R2，所述铂电阻RT、铂电阻RF、电阻R1和R2构成桥式电路；桥式电路中，电阻R1和铂电阻RT串联，电阻R2和铂电阻RF串联，电阻R1和电阻R2的输入端都连接所述恒压源；所述电阻R1和电阻R2的输出端分别连接所述铂电阻RT和铂电阻RF。还包括运算放大器，所述电阻R1和电阻R2的输出端分别连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端经A/D转换后连接所述MCU的输入端。

加热探头，内含高精度铂电阻PT1000和精密发热电阻；基准探头，内含高精度铂电阻PT1000。加热探头测量流速，基准探头测量流速的温度。

如图1、图2所示，RF是用来测量来流温度，置于基准探头内部，由两根线引出，RT用来测量流体带走后探头壁面的温度，RW用来给R_T加热，消除PT1000自热带来误差的影响，RT_T和RW同时置于加热探头内部，用三根线引出。

如图2所示，+5V提供一个恒压源，当流体流过后带走了R_T的热量，R_T和R_F之间产生一个压差，经运放U1输出信号，由24位A/D采集后送给MCU，而MCU在内部设有一个常数的基准值，记录了在零点(零流量)时RT存在的一个基准值，MCU将计算后的信号已PWM的形式发送出去，MOS管Q1只是一个开关量，根据PWM波的占空比输出对应的电压值，电容C1将MOS管输出的电压值整流为直流后发送给RW，RW加热开始加热提供给RT，当RT达到基准值后，MCU回收到一个信号，RW将会停止加热，如此反复。

然而，由于采用的是24位的A/D转换，其分辨率就会相对高出很多，在此基础上R_T采PT1000还是采用PT100、PT20，所达到的精度和测量范围是截然不同的，而市场上的铂电阻阻值最高的型号为PT1000，采用此种方式非常有效的拓宽了测量范围和测量精度。至于使用发热电阻RW的目的在于给RT提供热量，消除RT自热产生的误差提高精准度。

同时，根据系统热平衡原理，为了克服Q₂热探头向测量杆构架的导热、Q₃热探头向周围辐射的换热的影响，采用特氟龙在加热探头内部做一个气室，将其测量部位充分的绝热，大大减小Q₂的影响；同时，探头外采用抛光方式，减小辐射换热Q₃的影响。

Claims

1.一种插入式热式液体质量流量计，其特征是包括电路部分和结构部分，电路部分设在结构部分内；所述结构包括探头和主体，探棒与主体连接；所述电路部分包括电源、检测部分和信号处理电路，所述电源为检测部分和信号处理电路供电；所述检测部分的输出端经A/D转换后连接信号处理电路的输出端，信号处理电路的输出端即为本流量计的输出端。

2.根据权利要求1所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是所述检测部分设在探头内；检测部分包括两组，一组是铂电阻RT和发热电阻RW，另一组是铂电阻RF，两组传感器设在两只探头内；所述设有铂电阻RT和发热电阻RW的探头是加热探头，该加热探头内，铂电阻和发热电阻绝缘密贴，设在探头顶端，在铂电阻和发热电阻后端设有隔热材料；设有铂电阻RF是基准探头，该基准探头内，铂电阻和设在探头顶端。

3.根据权利要求1或2所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是所述加热探头长度比基准探头长。

4.根据权利要求3所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是所述信号处理电路包括MCU，MCU的控制信号输出端连接一开关管的控制端，该开关管的输入端连接所述电源，开关管的输出端连接所述发热电阻RW。

5.根据权利要求4所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是还包括基准电压电路，所述基准电压电路的输入端连接所述电源，基准电压电路的输出构成恒压源。

6.根据权利要求5所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是还包括电阻R1和R2，所述铂电阻RT、铂电阻RF、电阻R1和R2构成桥式电路；桥式电路中，电阻R1和铂电阻RT串联，电阻R2和铂电阻RF串联，电阻R1和电阻R2的输入端都连接所述恒压源；所述电阻R1和电阻R2的输出端分别连接所述铂电阻RT和铂电阻RF。

7.根据权利要求6所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是还包括运算放大器，所述电阻R1和电阻R2的输出端分别连接运算放大器的输入端，运算放大器的输出端经A/D转换后连接所述MCU的输入端。

8.根据权利要求2所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是隔热材料是设有铁氟龙的隔热气室。

9.根据权利要求2所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是所述加热探头外是抛光的。

10.根据权利要求2所述的插入式热式液体质量流量计，其特征是所述铂电阻RT和铂电阻RF为PT1000。