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分段恒流式热式质量流量计

2016-5-10 9:03:48      点击:
分段恒流式热式质量流量计
  

摘 要:介绍热式质量流量计的测量原理及恒流式、恒温差式两种测量方法。针对恒流式测量方法存在的问题,提出了根据流量大小,改变加热电流的方案,分析了实际测量系统的硬件结构和软件功能,详细介绍了加热电流的选取方法,该测量方法已得到实际验证。

关键字:热式流量计 测量方法 数据处理



    0 引言

    热式质量流量计是利用热扩散原理[1],通过流体流量与热源热量的热交换关系来测量流量的流量计。它具有压力损失小、没有可动部件、结构简单、维护方便、测量范围大的特点,特别适合于测量微小流量的气体流量。

    1 测量原理和测量方法

    热式质量流量计是在测量管路中加入两个金属铂电阻,一个铂电阻加入较小的电流(电流在4mA以下。不会引起电阻发热),用于测量被测流体温度,称为测温电阻。一个铂电阻通入较大电流(电流一般在50mA以上),用于测量被测流体的速度,称为测速电阻。根据热扩散原理,加热物体被流体带走的热量与加热物体与流体的温差、流体的流速以及流体的性质有关。若流体密度为ρ,流体流速为V,加热物体被流体带走的热量为Q,加热物体与流体的温差为ΔT,则有关系式:

    Q/ΔT=kl+k2•(ρ•V)k3

    对于组份一定的流体,kl、k2、k3为常数。在横截面为S的管路中,质量流量Qm=ρ•V•S。在实际测量过程中,测速铂电阻RH被仪表输入的电流I加热,在热平衡状态下,电流的加热功率与加热电阻被流体带走的热量处于平衡状态,即有:Q=I2•RH。因此质量流量Qm与Q/ΔT成一一对应的关系,可表示成

    

    由此可以看出,质量流量的测量方法有两种,一种方法为恒流式,即当加热电流I不变时,通过测出流体的温差ΔT(这里忽略了RH随温度的变),计算流体的质量流量。另一种方法为恒温差式,从字面上讲是保持加热铂电阻与测温铂电阻的温差ΔT不变,实际是通过一个桥式电路保持加热铂电阻和测温铂电阻的温差ΔT与加热铂电阻RH的比值ΔT/RH不变,通过测量加热电流I来计算流体的质量流量。本文采用的是恒流式测量方法。

    2 恒流式热式质量流量计总体设计

    热式质量流量的计算公式可表示成

        (1)

    由此可以看出,当环境温度T0基本不变时,给加热电阻加一恒定电流I,质量流量只是加热温度的单值函数,只要测出加热电阻的阻值即可。当环境温度变化较大时,须同时测出环境温度和加热温度,利用上述公式计算质量流量。

    当流体流量较小或流量为零时,大的加热电流会使加热电阻过热,由于加热电阻的热辐射,加热电阻周围的环境温度也会增加,影响测量精度。当流体流量较大时,小的加热电流会使加热温度与环境温度的差变小,减小传感器对流量变化的灵敏度。因此在整个流量测量范围内,采用恒定的加热电流是不合理的。本文采用分段变电流的方法,当流量较小时,加入较小的加热电流,当流量较大时,加入较大的加热电流。

    公式(1)可表示为Qm=f(X),其中

    

    加热电流I为已知给定量,环境温度通过测量得到,加热温度可通过测量加热电阻的阻值,再通过关系RH=R0(1+α•T)计算得到,这样就可计算出X。Qm与X的关系是通过实际流体标定出来的,在本仪表中,将Qm与X的关系制成表格,存入单片机中,根据计算出的,经查表,用插值的方法计算出Qm

    3 恒流式热式质量流量计硬件设计

    系统硬件结构如图1所示。单片机采用飞利浦80C51系列的80C552单片机[2],80C552内部包含8路10位的A/D转换器,和2路8位PWM信号发生器,在PWM信号发生器后面加一频压转换电路,即可完成D/A转换的功能。V/I转换是将反映加热电流大小的电压信号转换为电流信号,给加热电阻加热。电压放大器将加热电阻两端的电压信号进行处理,送入80C552的A/D转换器,因流过加热电阻的电流信号为给定,因此可通过单片机计算出加热电阻的阻值及加热温度T。

    环境温度T0的测量通过一桥式电路完成,测温电阻是桥式电路的一个桥臂,差动放大器将反映环境温度的电压信号送入单片机的A/D转换器。

    4 恒流式热式质量流量计软件设计

    加热电流的选取原则是:

    ① 一般选择加热电阻温度与环境温度的温度差在60℃~80℃之间,因为在这个温度范围内,传感器对流量变化比较敏感。
    ② 加热电流所分的段尽量少,因为加热电流频繁变化,会延长测量系统的响应时间。

    加热电流的分段选择是在实验室条件下完成的,具体步骤如下:

    ① 在流量测量范围内均匀选取流量值N+1个点:Qm(0)、Qm(1)…Qm(N),其中Qm(0)=0。
    ② 在给定流量Qm(i)(其中i=0,1…,N)条件下,加入加热电流,使加热温度与环境温度相差60℃~80℃ ,记录加热电流的取值范围IL(i)~IH(i)。
    ③ 合并加热电流:

    a取i=0;b若IL(i+n)≥IH(i)≥IL(i+n-1),将流量在Qm(i)~Qm(i+n-1)范围内的加热电流取为

    

    c令:i=i+n-1, 若i≠N、r,返回b;若i=n,结束。

   ④ 制流量范围与加热电流的数据表,存入单片机。

    系统软件流程如图2所示。

    5 结束语

    在热式质量流量测量中,恒流式测量方法与恒温差式测量方法相比,硬件电路简单,但由于在小流量段加热电阻过热,大流量段加热温度与环境温度的温差较小,因而,存在传感器对流量变化不敏感的缺点,针对这一问题,现将恒定加热电流方式设计成分段恒定加热电流方式。试验结果表明分段恒流式测量方法与恒流式测量方法相比,具有较高的测量灵敏度。

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