热式气体质量流量计的原理与设计

热式气体质量流量计的原理与设计

热式气体质量流量计的原理与设计

简浩(jh 070115@163,com)

概述：气体质量流量计在很多行业产业得到广泛应用, 目前主要采用热力学、恒温差、恒功率和温度自动补偿的原理, 根据热敏电阻特性、工业现场技术指标要求、电子元器件功能和模拟电子电路功能而设计。经过标准风洞系统标定, 通过A/D模/数转换, 送单片机(uc)进行瞬时数显和累计数显及非线性校正运算, 实现气体质量流速流量的数字智能化的测控。 关键词：直接质量流量, 恒温差, 热力学, 模拟电子, 系统标定, 不受温度影响, 稳定可靠。

气体的属性. 气体分子从微观的角度看属于二相性性物质, 即是物质的基本粒子、又呈波流体、海绵体和升腾浮力, 分子间相互有间隙。气体分子的粒子波时刻在作不规则冲量碰撞运动, 分子的浮力质量小于引力。因此, 气体分子具有很强的可压缩性、温度系数、吸湿性, 对温度、压力、体积特别敏感, 密度在时刻发生变化。测控气体流量用体积流量不能够确切, 只有质量流量才能较为精确测控描述气体的流量。目前比较认同的是" 钟罩" 法检测作标准依据来比较, 企业基本都是使用玻意耳定律、查理定律、盖阿伏加德罗的理想气体方程式("三同定一同" 和" 气体三要素" 、V1/V2=n1/n2=N1/N2；P1/P2=n1/n2=N1/N2；V1/V2=P1/P2；ρ1/ρ2=M1/M2；n-物质的量；V-体积；M-摩尔质量；P-压强；N-分子量.) 作基准比较换算, 目前还没有完善的法定的基准和标准, 多是企业标准、理想标准和接近标准。

气体的温度特性：当质量、体积不变时, 温度每增减1℃, 其压强的增减等于在0℃时的1/273。当在标准大气压760mmH 汞柱的0℃时, 其密度ρ是1.2928 Kg/m3。所以, 气体流量的检测多以标准条件下理想状态作参考基准换算气体质量流量。

设计原理：热式气体质量流量计采用一个恒功率即恒流源给传感器加热, 产生一定的恒定温度, 传感器总比周围环境空气介质变化温度高出一定(35℃) 的恒定温度差, 即静态热平衡, 恒功率和恒温差亦同时得到应用。气体分子流动时带走传感器(S11)的热量的多少与空气流体的流速、流量、气体分子的多少成正比, 热敏电阻传感器阻值亦随之减小(S21),于此同时, 加热传感器自动补充被气体分子带走的热量, 由于传感器补充热量需要能量(电压V 、电流I) 和时间S, 在这个时间内传感器还有多少温度差未得到补充达到静态热平衡(建立静态热平衡是通过模拟电路的惠斯顿电桥电路组合), 这个温度差(T11介温基准参考臂) 和传感器阻值转换的电压随着管道内气体分子密度、流速、流量变化而变化, 即恒温差。测量电路就是抓住恒温差转换的电压差信号, 通过加减乘除和开1/4次方仪表芯片运算放大及热电阻非线性信号的模拟电路信号处理。既使气体的温度变化, 介质温度变化, 但没有流动, 模拟检测的输出仍然是零, 气体流动时而转换的数据不变, 不掉数, 不增数, 只与气体的实际密度和流量有关系。热力学物理原理是热式气体质量流量计设计依据。恒功率法检测高速高量程优势, 低速低量程有缺陷, 恒温差法检测低速低量程优势, 高速高量程有缺陷。所以, 我们设计电路同时采用了两种原理, 得到了优劣互补大小量程均能测控的效果。

热电阻特性. 热式气体质量流量计测量传感器目前大多采用PT100、PT500、PT1000、PT2000(正温度系数。即温度上升, 阻值增加, 负温度系数相反。) 及半导体热敏电阻NTC(负温度系数) 。由于PT 薄膜铂电阻的温度系数稳定, 温度每升降1℃,PT10、PT100、PT1000、PT2000电阻值变化依次是0.038Ω、0.38Ω、3.8Ω和7.6Ω, 举例PT1000,0℃时阻值1000Ω,100℃时阻值为1385Ω,400℃时,2600Ω(2.6kΩ) 。

铂金属电阻率Ω·m 0℃=0.098×10-6 18℃=0.105×10-6

单位温度电阻变化率Ω/Ω/℃

表达式(R100-R0)/100R0(1-1)

式中R100和R0代表铂热敏电阻分别在100℃和0℃时的电阻值。

薄膜铂热敏电阻具有很好的复制性、重复性、一致性、线性度、稳定性、精确性、价格低和可靠性的优势。PT 铂热敏电阻的缺陷是抗介质腐蚀和抗氧化性能差, 热容比和热惯性较大, 使用时需装入316L 不锈钢或哈氏合金的保护套管中。但若使用不妥, 热力学、非线性和其特性很难把握住, 否则, 温度系数大, 受温度影响严重, 使测控数据严重失实, 直至仪表不能使用或不能正常工作。热式气体质量流量计中的热力学问题, 面临的技术挑战有：热传导、热扩散、热补偿、热幅射、热零漂、热时漂、热梯度、热传递、热容比、热负载、热稳定、热适度、热摆幅、热响应、热惯性、热交换、热吸收、热效应、热功耗等涉及到热力学方面的知识和技术。不注意处理把握好这些疑难、且不易彻底解决、关键性很强的应用细节技术, 将直接影响仪表技术指的稳定性(0.1m/h)、重复性(≤0.5) 、分辩率(≤0.1-0.3m) 、精确度(±0.5-1﹪) 、响应时间(≤1S) 。仪表的调试.

气体流量计组成由模拟测量PCB 电路板、16位A/D转换和单片机PCB 电路板两部分组成。用于测量的PCB 板电路设计的调试简便,P1、P2作为静态调整惠斯顿电桥热平衡测试点, 调旋"RP0调零电位器", 使P1、P2两点的电桥静态热平衡电压相等, 即约为零V 或仅5微伏μV 以下, 仪表放大器的输出为0V, 调零点时, 尽可能让加热传感器有足够的时间充份加热。然后是在仪表标定时, 按用户的满量程(标定时还要适当加高一点满量程便于留有余量, 不影响计量, 避免客户定货满量程估算不够, 插入现场冲满数据而没有变化) 即最高气流速度启动风洞气流速度, 这时调旋"RP1调满电位器", 使模拟板末级输出(0-5V或4-20mA) 端输出达到或接近5V 及20mA, 对应A/D模/数转换送单片机运算设定满量程时应显的数值, 这时仪表调时结束。 仪表的标定. 热式气体质量流计的标定换算是依标况的空气标准条件理想状态下作参考基准, 把用户的最大流量m3/h作为满量程, 换算成标况和工况的管道内的气体流速m/s,算式： G=πR2×3600(s)(1-2)

式中G-工况管道气体流速,

R-用户管道半径,

质量流量：

Qm=GπR2s ×Pa(工况压力/760mmHg)×[1.205kg/Nm3+(1.205)℃/273](1-3)

式中Qm-质量流量G-流速m/s R-管内半径

Pa-工况压力760mmHg-标准大气压汞柱1.205kg/Nm3-标准大气压20℃时的空气质量 ℃-工况温度

1/273-绝对温度

使用" 风速标定" 专用软件, 通过计算机连接风洞标校用的皮拖管差压流量计4-20mA 的输出和仪表的串行口输出, 即可实现微机标定。但是, 工况与标况总是或多或少的有点区别。

仪表具有4-20mA 、RS232和RS485及继电器报警的输出接口, 可于以太网接口等智能程序测控功能。

仪表的安装. 热式气体质量流量计在现场的使用需要有一定的流场, 才能在现场管道内获取比较均衡、相对稳定、动势畅通、线性度较好、具有采测平均流量、传感器插入深度和具有代表性的气体流量信号。管道内流动气体产生的压力, 是气体分子对管壁撞击作用力而产生的压力, 气体流动时在管道内有着随气流速度、密度、压力变化而变化, 其产生的动势边界层分布走势截面坐标扫描图像在时刻发生跳动变化, 传感器热电阻转换的电压信号亦随之变化, 管道截面扫描各个像素点上密度、流速、流量的分布不均匀, 管内壁至管心的密度、速度、流量呈梯度旋转运动的推进而增加, 流量动态范围宽, 瞬时流量幅度呈乘方函数增减, 在不同的管径、不同几何尺寸大小、不同流体组分、不同磨擦力和不同流场下都有一定关系。因此, 仪表安装在直管道的多经验取值" 前10后5" 和尽量不安装在弯管段。传感器探头插入深度, 一般取大管径管壁至管心的(≥300mm) 的1/4处和小管径(≤300mm) 的1/2处, 基本是相对流

量和边界流量的平均流量处。把仪表安装在工业现场的空间布局、流场设置、仪表定位比较科学合理的位置，有利于提高气体质量流量计的测量精度。

传感器的制作. 传感器的制做、材料、工艺和传感器探头对于做好热式气体质量流量的整机性能至关重要。①.PT1000热敏电阻首先刮去绝缘漆、吃锡, 焊接耐200℃的细绝缘导线, 引线长度视仪表传感探杆(Φ19标准统一) 的长度而定；②. 准备装入长套管(Φ3) 的S11和S21两只传感器的蓝色对蓝色的面用502临时对齐粘紧,T11和T21准备装入短套管亦是这样做；③. 分别把S11和T11粘好后的传感器少许粘上704绝缘导热胶, 分别装入长、短套管(316L不锈钢或哈氏合金材料), 导热胶的深度不要超过传感器长度, 导热胶要密实, 避免影响分辩率；④. 分别用高压绝缘电阻测试" 摇表" 测试两个套管内的传感器与套管金属外壳是否绝缘, 若不绝缘就不能使用；⑤. 然后用绝缘导线在探头的后端固定螺杆上把两套管的传感器外引线" 扎紧", 以免拉动；⑥. 然后将探头和探杆对齐卡在慢速旋转减速器上用氩气(024mA-035mA)焊接, 要均匀、圆滑、抛光；⑦. 高温、高压、高速的气体质量流量计的传感器制做材料、工艺、加热PT 选值、结构与标准常温的传感器制做不同, 区别很大；⑧. 套管、探头、探杆的结构有机械图纸。

结束语：热式气体质量流量计对检测气体质量流量与速度式、容积式、差压式、超声波式、电磁式、光电式等气体流量仪表相比较, 有着独特的优势, 具有功耗低、微型化、智能化、精度高(≤1﹪) 、直接式质量测量、适宜介质温度宽(-20~400℃) 、响应快(≤1s) 、受温度影响小、稳定可靠和使用维护简便等突出特点。不足之处是当介质含水率高组分或焦油粘稠时, 有一定的障碍影响。总之, 热式气体质量流量计有着广阔的市场应用前景。(本文为作者原创)