CN208140203U - 一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，包括结构部分和电路部分，所述结构部分包括圆形的气体通道，气体通道上还安装有温度探头和流速探头，电路部分包括流量测量电路、系统电源电路、单片机电路、A/D转换电路以及流量显示电路。本实用新型在传统传感器结构基础上，提出一种在管道中加入环形分布器的传感器优化结构，在管道中加入环形分布器，由仿真结果可以看出其对管道中的流体具有良好的整流效果。利用FLUENT进行流体仿真，分析其可行性；通过对优化模型进行不同雷诺数下的流体仿真分析，验证了推导出的质量流量的数学模型且可以得出在低流速时有较高的灵敏度和精度。为流量计的研制节省了大量时间。

Description

一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种测量装置，具体是一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置。

背景技术

目前，热式气体质量流量计直接测量气体的质量流量，是气体流量测量(尤其是天然气、煤气等混合气体)中较适合的一种流量计量手段，具有可以测量微小流量、稳定性高、可靠性好、压力损失小、高量程比、安装方便、重复性好、成本合理等特点。热式气体质量流量计原理简单，但技术实现难度大，设计材料、流体力学、电子、控制、计算机等多学科领域；其结构简单，特别在汽车电子、半导体技术、能源与环保等领域应用广泛。近年来，随着科学技术的发展与进步，热式气体质量流量计的发展非常迅速，相继出现了一些新的热点，如硅微机械热式气体质量流量计，具有测量范围广、响应快、高灵敏度、低功耗等优异性能，而且不需要压力、温度补偿，可直接测量多种气体的质量流量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，包括结构部分和电路部分，所述结构部分包括圆形的气体通道，气体通道上还安装有温度探头和流速探头，电路部分包括流量测量电路、系统电源电路、单片机电路、A/D转换电路以及流量显示电路。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述流量测量电路连接A/D转换电路，A/D转换电路还连接单片机电路，单片机电路还分别连接系统电源电路和流量显示电路。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述流量测量电路包括反馈放大器G、电阻R1、电阻R2、电阻RL、电阻Ra和电阻Rb，电阻R1的一端连接衰减器KM1和反馈放大器G的输出端，电阻R1的另一端内连接电阻RL和衰减器KM2和电阻RL，电阻RL的另一端通过电阻Ra接地，衰减器KM1的输出端连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电阻R3和反馈放大器G的一个输入端，反馈放大器G的另一个输入端连接衰减器KM1的输出端，电阻R3 的另一端通过电阻Rb接地。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述单片机电路选用AT89系列单片机。

作为本实用新型的进一步技术方案：所述A/D转换电路选用AD7810芯片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：1.以热式气体质量流量测量方法为基础，提出了一种具有自动温度补偿功能、以及混合气体组分补偿功能的小流量热式气体流量测量方法，在0m/s～3m/s范围内，测量精度很高；2.在传统传感器结构基础上，提出一种在管道中加入环形分布器的传感器优化结构，在管道中加入环形分布器，由仿真结果可以看出其对管道中的流体具有良好的整流效果。利用FLUENT进行流体仿真，分析其可行性；通过对优化模型进行不同雷诺数下的流体仿真分析，验证了推导出的质量流量的数学模型且可以得出在低流速时有较高的灵敏度和精度。为流量计的研制节省了大量时间，也具有一定的创新性。

附图说明

图1为热式气体质量流量计组成结构示意图；

图2为系统总体框图；

图3为自动温度补偿的电桥配置电路；

图4为自动温度补偿电路图；

图5为环形分布器的侧面示意图；

图6为流速与温差关系图。

图中：1-气体通道、2-温度探头、3-流速探头。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1-6，一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，包括结构部分和电路部分，所述结构部分包括圆形的气体通道1，气体通道1上还安装有温度探头2和流速探头3，电路部分包括流量测量电路、系统电源电路、单片机电路、A/D转换电路以及流量显示电路。

流量测量电路连接A/D转换电路，A/D转换电路还连接单片机电路，单片机电路还分别连接系统电源电路和流量显示电路。流量测量电路包括反馈放大器G、电阻R1、电阻R2、电阻RL、电阻Ra和电阻Rb，电阻R1的一端连接衰减器KM1和反馈放大器G的输出端，电阻R1的另一端内连接电阻RL和衰减器KM2和电阻RL，电阻RL的另一端通过电阻Ra接地，衰减器KM1的输出端连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电阻R3和反馈放大器G的一个输入端，反馈放大器G的另一个输入端连接衰减器KM1的输出端，电阻R3的另一端通过电阻Rb接地。单片机电路选用AT89系列单片机。A/D转换电路选用AD7810芯片。

本实用新型的工作原理是：热式气体质量流量计通过传感探头与被测流体的对流进行热传递，是一种坚固型的热式气体质量流量计，采用坚固的传感器结构，适合用于工业现场。流量计由传感探头和电子部件组成。传感器由温度和流速两个探头组成，均采用金属材质，其结构示意如图1所示。

在理想条件下，设该装置为封闭热学系统，当对流速探头进行加热时，根据热量传递关系，该系统的热平衡方程如下：

H＝Q_d+Q_c+Q_f (1)

式中H为电流加热所产生的热量。

大多数的应用条件下，被加热后的待测气体与流速探头的温差一般不大于300℃，这使得辐射传递的热量Q_f对整体热量造成的影响并不明显，计算时可忽略。出于测量精度的考虑，在传感器制作过程中会考虑热量的传导，将Q_c减到最小；因此，在计算过程中，可以取H＝Q_d。探头使用外部电源进行加热，所以加热产生的热量可用加热电阻的阻值和流过加热电阻的电流表示，即H＝I_a ²R_a。根据牛顿冷却公式可知：

H＝I_a ²R_a＝hA₀ΔT＝hπld(T_a-T_b) (2)

式中：

h为对流换热系数；

A₀为探头的表面积，一般情况下探头为圆柱体，所以A₀＝πld；

d为流速探头的直径；

l为流速探头的长度；

T_a为流速探头加热后的温度；

T_b为被测气体的温度。

经过上述分析，探头的温度平衡关系主要取决于对流换热系数h。通过传热学的基本原理，引入下面三个无量纲参数：

Nusselt(努塞尔数)：

Prandtl(普朗特数)：

Reynolds(雷诺数)：

则系数h与其他参数之间的关系如下：

Nu＝f(Re,Pr)或Nu＝C·(Re)^m·(Pr)ⁿ (3)

式中：

λ_f为导热系数；

μ为动力粘度；

c_p为固定压强下待测气体的比热容；

ρ为待测气体的密度；

u为待测气体的流速。

根据公式(2)、(3)有：

I_a ²R_a＝πlλ_f(T_a-T_b)f(Re,Pr) (4)

式(4)反映了流速探头的加热功率和热量参数之间的物理关系，并没有给出具体的函数关系，在实际使用中很不方便。要确定气体流速和热量之间的具体函数关系，关键是要确定Nu＝f(Re,Pr)的具体表达式。在King(1914)的理论推导和实验研究基础上，对流换热方程一般表示成[55]：

式中：A_k、B_k是每种气体的实验修正系数。

公式(5)为最经典且常用的对流换热公式。在此公式基础上，科学家们进行了更深层次的研究，相继给出了其他一些对流换热公式，并得到了广泛的应用。其中，Kramers提出的对流换热方程换热如下：

Nu＝0.42Pr^0.2+0.57Pr^0.33Re^0.5 (6)

其中，将“膜温度”T_f＝(T_a-T_b)/2，作为气体物理参数(μ、ρ、λ_f)选取的参考温度。将式(6)代入式(4)，则可以得出：

H＝I_a ²R_a＝πlλ_f(T_a-T_b)(0.42Pr^0.2+0.57Pr^0.33Re^1/2) (7)

令B₀＝0.42πlλ_fPr^0.2、

则可以得到：

对于已知测量对象，式中B₀、C₀可以看作是常数，因为其主要与探头的材质、尺寸、密度等和被测气体的固有特性相关。

本设计采用式(8)来描述探头的对流换热过程。将质量流量q_m代入式(8)中可以得到：

由式(8和式(9)可以推论出，气体流速u和质量流量q_m的数学模型分别为：

而电流加热值或H还可以表示成H＝E_o ²/R₁，所以气体流速u和质量流量q_m的数学模型分别可以改写为：

式中：E_o为流速探头两端电压。

整体系统设计如图所示，主要包括：硬件系统的设计和软件系统的设计。硬件系统的设计主要是电路的设计和处理，包括流量测量电路、系统电源电路、单片机电路、A/D转换电路以及流量显示电路等，主要是测量系统的电路设计。软件系统的设计主要包括ADC 模块、流量计算模块和显示模块的设计等。

以STM32系列的微处理器为核心，采用图3所示的新型的温度补偿电路为气体流量测量电路，并通过信号调整和高精度的A/D转换，得到与各个瞬时流量以及气体温度相对应的电压值，再经过算法运算处理后通过内部运算器根据流量计算公式计算出瞬时流速和累积流量，并在液晶显示屏上显示。也可以通过串口传送到上位机以便进行进一步的处理。通过串口进行修改测试仪的参数，如工作模式、波特率、地址等，便于测试仪的标定与现场调试。

设计了一种新型的自动温度补偿电路，是在图3的基础上进行了修改，修改后的补偿电路中可以采用任意阻值的温度补偿电阻，新型自动补偿电路如图4所示。图中反馈放大器G的输出E向测量元件支路直接供电，而向补偿支路供电时经过了K_M的衰减，补偿支路的供电电压为K_M·E。若满足：

KM＜＜1 (13)

则补偿电阻R_b的工作电流会远远比测量元件的工作电流小，补偿元件只能得到很小的电功率，在工作中不会被电路加热，满足温度补偿元件的基本要求。为了使电路工作正常， R_a支路电压也需要经过K_M衰减后再引入反馈放大器G。补偿电路作这样修改后，其稳定工作状态与图3基本相同，但脱离了R_b＞＞R_a的限制条件。理论上可以取任何阻值的补偿电阻来完成温度补偿，一般情况下，可以取两个阻值基本相同的铂电阻体充当测量元件和温度补偿元件。

通过仿真传感器的得到的速度分布云图可以看出，气流流通不均匀，所以在在管道中加入一个环形分布器，对气流进行整流，使流通更均匀。环形分布器的侧面图如图5所示。最后通过对优化模型进行不同雷诺数下的流体仿真分析，能够验证得出在低流速时有较高的灵敏度和精度，并最终确定传感器的优化结构。

根据仿真实验数据，用MATLAB绘制出流速与温差ΔT的关系曲线，如图6所示。图中可以看出，在低流速时有较高的灵敏度和精度。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，包括结构部分和电路部分，其特征在于，所述结构部分包括圆形的气体通道，气体通道上还安装有温度探头和流速探头，电路部分包括流量测量电路、系统电源电路、单片机电路、A/D转换电路以及流量显示电路。

2.根据权利要求1所述的一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，其特征在于，所述流量测量电路连接A/D转换电路，A/D转换电路还连接单片机电路，单片机电路还分别连接系统电源电路和流量显示电路。

3.根据权利要求1所述的一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，其特征在于，所述流量测量电路包括反馈放大器G、电阻R1、电阻R2、电阻RL、电阻Ra和电阻Rb，电阻R1的一端连接衰减器KM1和反馈放大器G的输出端，电阻R1的另一端内连接电阻RL和衰减器KM2和电阻RL，电阻RL的另一端通过电阻Ra接地，衰减器KM1的输出端连接电阻R2，电阻R2的另一端连接电阻R3和反馈放大器G的一个输入端，反馈放大器G的另一个输入端连接衰减器KM1的输出端，电阻R3的另一端通过电阻Rb接地。

4.根据权利要求1所述的一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，其特征在于，所述单片机电路选用STM32F103系列单片机。

5.根据权利要求1所述的一种基于改进温度补偿方法的气体质量流量测量装置，其特征在于，所述A/D转换电路选用AD7810芯片。