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分段恒流式热式质量流量计具有较高的测量灵敏度

分段恒流式热式质量流量计具有较高的测量灵敏度热式质量流量计是利用热扩散原理,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。
    在热式质量流量计测量中,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。
点击次数:  更新时间:2017-03-17 22:25:23  【打印此页】  【关闭