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基于可调恒流源技术的热式气体质量流量计

时间:2018/06/09来源:未知

    要:

热式气体质量流量计是基于对流换热原理进行流量测量的。在恒温差式和恒功率式两种传统设计方式的基础上,提出了一种基于可调恒流源技术的热式气体质量流量计。测量范围为0.2~20 m/s,将此范围分为三段。0.2~0.9 m/s设定加热电流为40 m A,0.9~10 m/s设定加热电流为60 m A,10~20 m/s设定加热电流为80 m A。汇总各加热电流下的测量数据从而确定全量程范围下的计算模型。系统在天津大学流量实验室大口径气体流量标准装置上进行检定,管道口径为DN200,精度为1.0级,量程比达到100∶1。

 

0 引言

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和软件算法的补偿,而测量方式大部分是基于恒温差式或者恒功率式。本文研究则另辟蹊径,采用不同流速点下设定不同的加热电流来进行流量测量。

1 测量原理

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

计算公式

式中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;TW为物体壁面的温度,K;TC为流体温度,K。

热式流量计中产热的就是测速探头,其发热量为

计算公式

式中IW为测速探头的加热电流,A;RW为测速探头的电阻值,Ω。

Roger C Baker在《Flow measurement handbook》中给出,式(1)中hA可以表示为

计算公式

则可得

 

热式质量流量计主要分为恒温差式和恒功率式。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,表现为零点不稳和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。

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,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,且适当提高仪表的反应速度,本研究提出了一种可调恒流源技术的热式流量计。

2 各段加热电流的划分

在低流量时,测速探头温度较高,存在由于测速探头和测温探头温度不同而产生的自然对流,要完全忽略自然对流影响,必须满足公式

计算公式

式中Gr为格拉晓夫数,为自然对流浮力和粘性力之比,是反映自然对流程度的特征数;αν为体胀系数;Red为局部雷诺数;g为重力加速度,m/s3;ν为运动粘度,m2/s;L为探头加热段长度,m;u为流体速度,m/s;d为探头直径,m。

由式(5)~式(7)可得

计算公式

如图1所示,设计加热段为12 mm,探头直径为3 mm,环境温度为298.15 K。当u为0.2 m/s时,可得TW应小于等于300.1 K。实验可测得,当加热电流为40 m A时,TW为300 K,满足测量小流量时的要求。

图1 热式探头机械结构Fig 1 Mechanical structure of thermal probe

图1 热式探头机械结构Fig 1 Mechanical structure of thermal probe   下载原图

 

综上所述,在0.2~0.9 m/s的流速下采用40 m A的加热电流,降低了小流速下测速探头对测温探头的影响;随着流速增大,流体带走热量增加,0.9~10 m/s范围下采用60 m A加热电流;当流速大于10 m/s时,测速探头对流速变化的灵敏度下降,故10 m/s以上采用80 m A加热电流[3]。测速探头采用Pt100,测温探头采用Pt200,测温电流为0.5 m A[4]。

3 可变电流的实现

高可靠、稳定的恒流源[5]是仪表达到较高测量精度的前提。按照恒流源的组成器件不同可分为三类:晶体管恒流源、场效应管恒流源和集成运放恒流源。设计中加热电流设计精度为0.1%,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+10 V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

计算公式

将端口8悬空,通过变换输入电压VREFIN,VIN1,VIN2和三极管基极负载RSPAN的不同组合,可以组合出不同的电流环输出模式。

为了扩展电流,选择使用外部电阻器,断开引脚1和13,在引脚16和引脚13之间接入10Ω电阻器,则电流放大倍数扩大为50倍。电路设计中将VREFIN,VIN1悬空,只保留VIN2。VIN2的精度和稳定性直接决定了输出电流的性能,选择MAX6350为其提供基准电压值+5 V[6],其精度为±0.02%,则系统输出电流的计算公式为

图2 XTR110的典型应用电路Fig 2 Typical application circuit of XTR110

图2 XTR110的典型应用电路Fig 2 Typical application circuit of XTR110   下载原图

 

计算公式

将引脚8外接一个可调电阻器,通过调节此电阻值得到所需的电流。

4 整体方案设计

系统电路按上图3进行设计,分为传感器信号输出模块、恒流源模块、电压源模块、主控单元及其外围模块、A/D模块、信号调理模块。RC为测温探头的阻值,RW为测速探头的阻值,Ra,Rb为基准电阻器,阻值为100Ω,精度0.01%,温漂5×10-6/℃,公式为

计算公式
图3 系统整体设计图Fig 3 Overall design chart of system

图3 系统整体设计图Fig 3 Overall design chart of system   下载原图

 

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A/D,其分辨率为0.298μV,通过SPI通信将采样结果传递给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、RS—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。

5 实验标定结果

标定结果如表1所示,以0.4 m/s作为分界流量,分界流量以上精度满足1.0%,分界流量以下精度满足1.5%。

表1 各段加热电流下的标定数据Tab 1 Calibration data under different heating current    下载原表

表1 各段加热电流下的标定数据Tab 1 Calibration data under different heating current

6 结论

本文提出了一种基于可调恒流源技术的热式气体质量流量计,阐述了电流发生的机理和如何改变加热电流的大小。在保证加热电流达到要求的前提下,给出了系统的整体设计框架图。相比于传统的恒温差式和恒功率式,在相同测量精度的前提下,本研究设计的热式气体质量流量计具有更宽的测量范围。以0.4 m/s作为分界流量,分界流量以下可以保证1.5级精度,分界流量以上可以保证1.0级精度,量程比达到100∶1。


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