熱式氣體質(zhì)量流量計的原理與設(shè)計

1、熱式氣體質(zhì)量流量計的原理與設(shè)計熱式氣體質(zhì)量流量計的原理與設(shè)計 簡浩 （jh 070115163,com） 概述：氣體質(zhì)量流量計在很多行業(yè)產(chǎn)業(yè)得到廣泛應(yīng)用,目前主要采用熱力學(xué)、恒溫差、恒功率和溫度自動補償?shù)脑?,根據(jù)熱敏電阻特性、工業(yè)現(xiàn)場技術(shù)指標(biāo)要求、電子元器件功能和 模擬電子電路功能而設(shè)計。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)洞系統(tǒng)標(biāo)定，通過A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換，送單片機（uc）進行瞬時數(shù)顯和累計數(shù)顯及非線性校正運算,實現(xiàn)氣體質(zhì)量流速流量的數(shù)字智能化的測控。關(guān)鍵詞：直接質(zhì)量流量 ，恒溫差 ，熱力學(xué) ，模擬電子 ，系統(tǒng)標(biāo)定 ，不受溫度影響 ，穩(wěn)定可靠。 氣體的屬性 .氣體分子從微觀的角度看屬于二相性性物質(zhì)，即是物質(zhì)的基本粒

2、子、 又呈波流體、海綿體和升騰浮力 ，分子間相互有間隙。氣體分子的粒子波時刻在作不規(guī)則沖量碰撞運動，分子的浮力質(zhì)量小于引力。因此 ，氣體分子具有很強的可壓縮性、溫度系數(shù)、吸濕性，對溫度、壓力、體積特別敏感 ，密度在時刻發(fā)生變化。測控氣體流量用體積流量不能夠確切，只有質(zhì)量流量才能較為精確測控描述氣體的流量。 目前比較認(rèn)同的是 "鐘罩 "法檢測作標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)來比較 ， 企業(yè)基本都是使用玻意耳定律、查理定律、蓋阿伏加德羅的理想氣體方程式（"三同定一同 "和"氣體三要素 ”、V1/V2=n1/n2=N1/N2 ;P1/P2=n1/n2=N1/N2 ;V1/

3、V2=P1/P2 ; p 1/ p 2=M1/M2 ;n-物質(zhì)的量；V-體積；M-摩爾質(zhì)量；P壓強；N-分子量.）作基準(zhǔn)比較換算，目前還沒有完善的 法定的基準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn) ，多是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、理想標(biāo)準(zhǔn)和接近標(biāo)準(zhǔn)。氣體的溫度特性：當(dāng)質(zhì)量、體積不變時，溫度每增減1C，其壓強的增減等于在 0C時的1/273。 當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 760mmH汞柱的0C時,其密度p是1.2928 Kg/m3。所以，氣體流量的檢測多 以標(biāo)準(zhǔn)條件下理想狀態(tài)作參考基準(zhǔn)換算氣體質(zhì)量流量。設(shè)計原理：熱式氣體質(zhì)量流量計采用一個恒功率即恒流源給傳感器加熱，產(chǎn)生一定的恒定溫度,傳感器總比周圍環(huán)境空氣介質(zhì)變化溫度高出一定（35C ）的恒定溫度差，即

4、靜態(tài)熱平衡，恒功率和恒溫差亦同時得到應(yīng)用。氣體分子流動時帶走傳感器（S11）的熱量的多少與空氣流體的流速、流量、氣體分子的多少成正比，熱敏電阻傳感器阻值亦隨之減?。⊿21）于此同時，加熱傳感器自動補充被氣體分子帶走的熱量，由于傳感器補充熱量需要能量（電壓V、電流I）和時間S在這個時間內(nèi)傳感器還有多少溫度差未得到補充達到靜態(tài)熱平衡（建立靜態(tài)熱平衡是通過模擬電路的惠斯頓電橋電路組合），這個溫度差 （T11 介溫基準(zhǔn)參考臂 ）和傳感器阻值轉(zhuǎn)換的電壓隨著管道內(nèi)氣體分子密度、流速、流量變化而變化，即恒溫差。測量電路就是抓住恒溫差轉(zhuǎn)換的電壓差信號 ，通過加減乘除和開1/4 次方儀表芯片運算放大及熱電阻非線

5、性信號的模擬電路信號處理。 既使氣體的溫度變化 ，介質(zhì)溫度變化 ，但沒有流動 ，模擬檢測的輸出仍然是零 氣體流動時而轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)不變，不掉數(shù) ，不增數(shù) ，只與氣體的實際密度和流量有關(guān)系。 熱力學(xué)物理原理是熱式氣體質(zhì)量流量計設(shè)計依據(jù)。恒功率法檢測高速高量程優(yōu)勢，低速低量程有缺陷 ，恒溫差法檢測低速低量程優(yōu)勢 ，高速高量程有缺陷。 所以 ，我們設(shè)計電路同時采用了兩種原理 ， 得到了優(yōu)劣互補大小量程均能測控的效果。熱電阻特性.熱式氣體質(zhì)量流量計測量傳感器目前大多采用PT1O0 PT500、PT1000、PT2000（正溫度系數(shù)。即溫度上升，阻值增加，負(fù)溫度系數(shù)相反。）及半導(dǎo)體熱敏電阻NTC負(fù)溫度系數(shù)）

6、。由于PT薄膜鉑電阻的溫度系數(shù)穩(wěn)定，溫度每升降1C ,PT10、PT100、PT1OO0 PT2000電阻值變化依次是 0.038 Q、0.38 Q、3.8 Q和7.6 Q，舉例PT1000,0C時阻值1000 Q ,100 C時阻值為1385 Q ,400 C 時,2600 Q (2.6k Q )。鉑金屬電阻率 Q m 0C =0.098X 10-6 18C =0.105 X 10-6單位溫度電阻變化率Q/Q /C表達式 (R100-R0)/100R0(1-1)式中R100和R0代表鉑熱敏電阻分別在100 C和0 C時的電阻值。薄膜鉑熱敏電阻具有很好的復(fù)制性、重復(fù)性、一致性、線性度、穩(wěn)定性、

7、精確性、價格低和 可靠性的優(yōu)勢。 PT 鉑熱敏電阻的缺陷是抗介質(zhì)腐蝕和抗氧化性能差 ,熱容比和熱慣性較大 , 使用時需裝入 316L 不銹鋼或哈氏合金的保護套管中。但若使用不妥,熱力學(xué)、非線性和其特性很難把握住 ,否則 ,溫度系數(shù)大 ,受溫度影響嚴(yán)重 ,使測控數(shù)據(jù)嚴(yán)重失實 ,直至儀表不能使用或 不能正常工作。 熱式氣體質(zhì)量流量計中的熱力學(xué)問題 ,面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有： 熱傳導(dǎo)、 熱擴散、 熱補償、熱幅射、熱零漂、熱時漂、熱梯度、熱傳遞、熱容比、熱負(fù)載、熱穩(wěn)定、熱適度、 熱擺幅、熱響應(yīng)、熱慣性、熱交換、熱吸收、熱效應(yīng)、熱功耗等涉及到熱力學(xué)方面的知識和 技術(shù)。不注意處理把握好這些疑難、且不易徹底解決、

8、關(guān)鍵性很強的應(yīng)用細(xì)節(jié)技術(shù),將直接影響儀表技術(shù)指的穩(wěn)定性 （0.1m/h）、重復(fù)性（ 0.5）、分辯率（w 0.1-0.3m）、精確度（土 0.5-1 % ）、 響應(yīng)時間（w 1S）。儀表的調(diào)試.氣體流量計組成由模擬測量PCB電路板、16位A/D轉(zhuǎn)換和單片機PCB電路板兩部分組成。用于測量的PCB板電路設(shè)計的調(diào)試簡便，P1、P2作為靜態(tài)調(diào)整惠斯頓電橋熱平衡測試點調(diào)旋"RP0調(diào)零電位器",使P1、P2兩點的電橋靜態(tài)熱平衡電壓相等，即約為零V或僅5微伏卩V以下,儀表放大器的輸出為 0V,調(diào)零點時,盡可能讓加熱傳感器有足夠的時間充份加熱。然后是在儀表標(biāo)定時 ,按用戶的滿量程 （標(biāo)定

9、時還要適當(dāng)加高一點滿量程便于留有余量,不影響計量 ,避免客戶定貨滿量程估算不夠 , 插入現(xiàn)場沖滿數(shù)據(jù)而沒有變化）即最高氣流速度啟動風(fēng)洞氣流速度，這時調(diào)旋"RP1調(diào)滿電位器",使模擬板末級輸出（0-5V或4-20mA）端輸出達到或接近 5V及 20mA,對應(yīng)A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換送單片機運算設(shè)定滿量程時應(yīng)顯的數(shù)值，這時儀表調(diào)時結(jié)束。儀表的標(biāo)定 .熱式氣體質(zhì)量流計的標(biāo)定換算是依標(biāo)況的空氣標(biāo)準(zhǔn)條件理想狀態(tài)下作參考基準(zhǔn),把用戶的最大流量 m3/h作為滿量程，換算成標(biāo)況和工況的管道內(nèi)的氣體流速m/s,算式：G=n R2X 3600（s21式中G-工況管道氣體流速，R-用戶管道半徑，Qm=G

10、n R2sX Pa（工況壓力 /760mmHg） x 1.205kg/Nm3+（1.205） C /273（1-3）式中Qm-質(zhì)量流量G-流速m/s R-管內(nèi)半徑Pa-工況壓力760mmHg-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓汞柱 1.205kg/Nm3-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓 20C時的空氣質(zhì)量C -工況溫度1/273- 絕對溫度使用"風(fēng)速標(biāo)定”專用軟件，通過計算機連接風(fēng)洞標(biāo)校用的皮拖管差壓流量計4-20mA的輸出和儀表的串行口輸出 ,即可實現(xiàn)微機標(biāo)定。但是 ,工況與標(biāo)況總是或多或少的有點區(qū)別。儀表具有4-20mA、RS232和RS485及繼電器報警的輸出接口 ，可于以太網(wǎng)接口等智能程序測 控功能。儀表的安裝 .熱式

11、氣體質(zhì)量流量計在現(xiàn)場的使用需要有一定的流場，才能在現(xiàn)場管道內(nèi)獲取比較均衡、相對穩(wěn)定、動勢暢通、線性度較好、具有采測平均流量、傳感器插入深度和具有代 表性的氣體流量信號。管道內(nèi)流動氣體產(chǎn)生的壓力 ，是氣體分子對管壁撞擊作用力而產(chǎn)生的 壓力 ，氣體流動時在管道內(nèi)有著隨氣流速度、密度、壓力變化而變化，其產(chǎn)生的動勢邊界層分布走勢截面坐標(biāo)掃描圖像在時刻發(fā)生跳動變化 ，傳感器熱電阻轉(zhuǎn)換的電壓信號亦隨之變化 ，管 道截面掃描各個像素點上密度、流速、流量的分布不均勻，管內(nèi)壁至管心的密度、速度、流量呈梯度旋轉(zhuǎn)運動的推進而增加，流量動態(tài)范圍寬 ，瞬時流量幅度呈乘方函數(shù)增減，在不同的管徑、不同幾何尺寸大小、不同流體

12、組分、不同磨擦力和不同流場下都有一定關(guān)系。因此，儀表安裝在直管道的多經(jīng)驗取值 "前10后 5"和盡量不安裝在彎管段。傳感器探頭插入深度，一般取大管徑管壁至管心的 （300mm）的1/4處和小管徑（w 300mm）的1/2處,基本是相對流 量和邊界流量的平均流量處。 把儀表安裝在工業(yè)現(xiàn)場的空間布局、 流場設(shè)置、 儀表定位比較 科學(xué)合理的位置，有利于提高氣體質(zhì)量流量計的測量精度。傳感器的制作 .傳感器的制做、材料、工藝和傳感器探頭對于做好熱式氣體質(zhì)量流量的整機性能至關(guān)重要。.PT1000熱敏電阻首先刮去絕緣漆、吃錫，焊接耐200 C的細(xì)絕緣導(dǎo)線，引線長度視儀表傳感探桿（19標(biāo)準(zhǔn)

13、統(tǒng)一）的長度而定；準(zhǔn)備裝入長套管（3）的S11和S21兩 只傳感器的藍(lán)色對藍(lán)色的面用 502 臨時對齊粘緊 ，T11 和 T21 準(zhǔn)備裝入短套管亦是這樣做； . 分別把S11和T11粘好后的傳感器少許粘上 704絕緣導(dǎo)熱膠，分別裝入長、短套管（316L不銹 鋼或哈氏合金材料），導(dǎo)熱膠的深度不要超過傳感器長度，導(dǎo)熱膠要密實，避免影響分辯率； 分別用高壓絕緣電阻測試 "搖表 "測試兩個套管內(nèi)的傳感器與套管金屬外殼是否絕緣，若不絕緣就不能使用；然后用絕緣導(dǎo)線在探頭的后端固定螺桿上把兩套管的傳感器外引線”扎緊"，以免拉動；然后將探頭和探桿對齊卡在慢速旋轉(zhuǎn)減速器上用氬氣（024mA-035mA）焊接，要均勻、圓滑、拋光；高溫、高壓、高速的氣體質(zhì)量流量計的傳感器制做材料、工藝、 加熱PT選值、結(jié)構(gòu)與標(biāo)準(zhǔn)常溫的傳感器制做不同，區(qū)別很大；套管、探頭、探桿的結(jié)構(gòu)有機械圖紙。結(jié)束語：熱式氣體質(zhì)量