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)的基本粒子、

2、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；V

3、1/V2=P1/P2；1/2=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1, 其壓強的增減等于在0時的1/273。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760mmH 汞柱的0時, 其密度是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(35 的恒定溫度差, 即靜態(tài)熱平衡,

4、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小(S21,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性信號的

5、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PT100、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1,PT10、PT100、PT1000、PT2000電阻值變化依次是0.038、0.38、鉑金屬電阻率·m 0=0.098×10-6 18=0.105×10-6單位溫度電阻變化率/表達式(R100-R0/100R0(1-1式中R100和R0代表鉑熱敏電阻分別在100和0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、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

7、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、關(guān)鍵性很強的應(yīng)用細節(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(0.1-0.3m 、精確度(±0.5-1 、響應(yīng)時間(1S 。儀表的調(diào)試.氣體流量計組成

8、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&quo

9、t;, 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=R2×3600(s(1-2式中G-工況管道氣體流速,R-用戶管道半徑,質(zhì)量流量：Qm=GR2s ×Pa(工況壓力/760mmHg×1.205kg/Nm3+(1.205/273(1-3 式中Qm-質(zhì)量流量G-流速m/s R-管內(nèi)半徑P

10、a-工況壓力760mmHg-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓汞柱1.205kg/Nm3-標(biāo)準(zhǔn)大氣壓20時的空氣質(zhì)量-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

11、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

12、度, 一般取大管徑管壁至管心的(300mm 的1/4處和小管徑(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的細絕緣導(dǎo)線, 引線長度視儀表傳感探桿(19標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一 的長度而定；. 準(zhǔn)備裝入長套管(3 的S11和S21兩只傳感器的藍色對藍色的面用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

13、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)量流量計對檢測氣體質(zhì)量流量與速度式、容積式、差壓式、超聲波式