CN105222843A - 一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计，包括恒流源模块、传感器信号输出模块，信号调理模块，A/D采样模块和主控单元，所述的传感器模块由测速探头铂热电阻、测温探头铂热电阻、与测速探头铂热电阻串联的基准电阻及与测温探头铂热电阻串联的基准电阻，根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，信号调理模块包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路电压信号送入A/D采样模块进行模数转换，传送至主控单元，由主控单元计算出流量值，所述的恒流源模块包括一个为测温探头支路提供恒定驱动电流恒流源和一个为测速探头提供可调驱动电流的可调恒流源。本发明具有测量准确，计量范围广的特点。

Description

一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，涉及一种气体质量流量计。

背景技术

热式气体质量流量计为直接式质量流量计，具有测量范围宽、压损小、可靠性高、可测量混合气体、适用于各种管道和过载无损害等诸多优点，得到了广泛应用^[1]。当前，热式气体质量流量计的研究主要集中在四个方面：一是温度技术补偿研究；二是传感器设计研究，采用不同的材料和加工工艺来保证测量的准确性和可靠性；三是测量方法与数据处理研究^[2]，在保证测量分辨率和精度的前提下，对采集的数据进行处理；四是传感器建模研究，若能得到传感器的对应模型，则可有效地提高测量精度且减小测量难度。

综上所述，人们更多的是关注传感器的设计以及软件算法的补偿，而测量方式大部分是基于恒温差式或者恒功率式。恒温差式主要有两个缺点：一是采用惠斯通电桥结构，环境温度发生变化时就会影响电桥平衡，表现为零点不稳以及小流量精度无法保证，必须附加相应的温度补偿电路；二是流量上限受到限制，随着流量的不断增大，加热功率也相应增大，加热功率过大时就会增加电路设计的难度同时影响电路的稳定性。恒功率式的主要缺点在于测量小流量时采用较大的加热功率，测温探头和测速探头之间的自然对流换热不能忽略，无法保证小流量的测量精度，同时功率控制算法具有一定的滞后性，影响测量的灵敏度。

热式质量流量计是根据传热原理进行流量测量的，其热量的主要传递方式为热对流。热对流指的是流体在流动的过程中，由于冷热分布存在差异，冷热流体相互接触而产生热量传递的过程。对流传热又分为自然对流和强制对流两大类，由于流体内部各部分密度不同而引起的流动为自然对流；流体在外力作用下产生的流动为强制对流。当流体流速较大时，自然对流、热辐射、热传导都可以忽略不计。但是当流体流速较小时，自然对流传热就不能忽略了。对流传热的基本公式为牛顿冷却公式：

Q＝hA(T_W-T_C)(1)

Q为单位时间内的热流量，W；h为表面传热系数，W/(m²*k)；A为换热面积，m²；T_W为物体壁面的温度，在热式流量计中为测速探头温度，K；T_C为流体温度，K。

热式流量计对测速探头加热,其发热量为：

$Q=I_W^2{R}_W---\left(2\right)$

I_W表示测速探头的加热电流，A；R_W表示测速探头的电阻值，Ω。

RogerCBaker在《Flowmeasurementhandbook》一书中给出式(1)中hA可以表示为：

hA＝A₁+B₁(q_m)^0.5(3)

则可得流量计算公式：

$q_m={\[\frac{1}{B_1}\left(\frac{I_W^2{R}_W}{T_W-T_C}\right)-\frac{A_1}{B_1}\]}^2---\left(4\right)$

式中：A₁、B₁为常数，由流量实验装置标定得出。

热式质量流量计主要分为恒温差式和恒功率式。当流体流量较小或者为零时，如果加热电流过大就会导致测速探头过热，进而使周围环境温度明显上升，那么测速探头和测温探头之间的自然对流传热就不可忽略；当流体流量较大时，如果加热电流过小，流体带走热量过多，使得测温探头和测速探头之间的温差很小，导致探头对流量的变化不敏感。针对以上问题，要忽略自然对流传热的影响，在保证一定量程比的前提下不涉及复杂的控制算法，并且适当提高仪表的反应速度。

专利申请CN201410301881.0给出了一种恒流法热式气体质量流量计并给出了其测量方法。

参考文献

[1]王利恒,李昌禧.热式气体流量计温度补偿研究[J].传感技术学报.2008,21(8):1379-1382

[2]文小玲,刘翠梅,易先军,等.铂电阻测温的非线性补偿算法分析[J].传感器与微***.2009,28(8):33-36

发明内容

本发明对现有技术进行改进，提出一种可以工作在更宽的流量范围内的可调恒流源技术的热式流量计。本发明的技术方案如下：

一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计，包括恒流源模块、传感器信号输出模块，信号调理模块，A/D采样模块和主控单元，所述的传感器信号输出模块由测速探头铂热电阻R_W、测温探头铂热电阻R_C、与测速探头铂热电阻R_W串联的基准电阻R_a及与测温探头铂热电阻R_C串联的基准电阻R_b，根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，信号调理模块包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路电压信号送入A/D采样模块进行模数转换，传送至主控单元，由主控单元计算出流量值，其特征在于，所述的恒流源模块包括一个为测温探头支路提供恒定驱动电流I_c恒流源和一个为测速探头提供可调驱动电流I_w的可调恒流源。

可调恒流源可以采用美国Burr-Brown公司推出的XTR110芯片，将引脚8外接一个可调电阻，通过调节此电阻得到所需的电流。

本发明采用对测速探头恒流供电的方式进行流量测量而且不同流速点下对测速探头设定不同的加热电流来进行流量测量，以使流量计工作在更宽的流量范围。

附图说明

图1本发明的热式气体质量流量计的电路原理框图。

图2典型应用电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行说明。

本发明的质量流量计，其整机电路原理如图1所示。

整机分为传感器信号输出模块、恒流源模块、电压源模块、主控单元及其***模块、A/D模块、信号调理模块。R_C为测温探头的阻值，由此可知气体介质温度Tc；R_W为测速探头的阻值，由此可知测速探头温度Tw；R_a、R_b为基准电阻，阻值100Ω，精度0.01％，温漂5ppm。

$R_c=\frac{U_c*R_b}{U_b}---\left(5\right)$

$R_w=\frac{U_w*R_a}{U_a}---\left(6\right)$

基准电阻的设定有效地减小了恒流源波动对实验结果的影响。采用24位的AD7193芯片进行模数转换，其分辨率为0.298μV，通过SPI通讯将采样结果传递给430单片机，充分保证了采样精度。在单片机内实现信号处理、参数设定、模型计算等任务，最终通过液晶、485以及脉冲信号三种方式进行输出。同时考虑抗干扰和电路的稳定性，加入了看门狗保护电路和掉电保护电路。

整机的关键是为测速探头供电的可调恒流源。

本发明采用美国Burr-Brown公司推出的XTR110。该芯片内部由电压电流转换模块、电流/电流变换模块、精密电阻网络模块和精密+10V电压基准模块等组成。图2为其典型应用电路，其输出电流为：

$I_w=50\frac{V_{IN2{/}_2}}{R_{span}}---\left(7\right)$

将引脚8外接一个可调电阻，通过调节此电阻得到所需的电流。

实验标定结果如表1所示，量程比达到100，精度满足基本1.0％，只在最小流量点时精度为1.5％。

表1各段加热电流下的标定数据

Tab1Thecalibrationdataunderdifferentheatingcurrent

Claims (2)

1.一种基于可调恒流源的热式气体质量流量计，包括恒流源模块、传感器信号输出模块，信号调理模块，A/D采样模块和主控单元，所述的传感器模块由测速探头铂热电阻R_W、测温探头铂热电阻R_C、与测速探头铂热电阻R_W串联的基准电阻R_a及与测温探头铂热电阻R_C串联的基准电阻R_b，根据加载在所述的四个电阻的电压值输出相应的四路电压信号，信号调理模块包括四路调理电路，将调理后符合采样要求的四路电压信号送入A/D采样模块进行模数转换，传送至主控单元，由主控单元计算出流量值，其特征在于，所述的恒流源模块包括一个为测温探头支路提供恒定驱动电流I_c恒流源和一个为测速探头提供可调驱动电流I_w的可调恒流源。

2.根据权利要求1所述的流量计，其特征在于，可调恒流源采用美国Burr-Brown公司推出的XTR110芯片，将引脚8外接一个可调电阻，通过调节此电阻得到所需的电流。