外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

張玉峰，陳遠(yuǎn)江，嚴(yán)硯華，彭磊

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢430075）

外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)

張玉峰，陳遠(yuǎn)江，嚴(yán)硯華，彭磊

（武漢軍械士官學(xué)校，武漢430075）

設(shè)計(jì)的外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置，是一種可以在管道外部安裝的流量測(cè)量裝置，主要由卡具、測(cè)量裝置電路等組成。介紹了基本工作原理、安裝方法，分析了測(cè)量電路，研究了溫度補(bǔ)償方法。對(duì)輸出電壓和流量的關(guān)系進(jìn)行基于最小二乘法的多項(xiàng)式擬合，應(yīng)用結(jié)果表明外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置測(cè)量方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，能夠進(jìn)行空氣流量的精確測(cè)量，尤其適用小口徑管路的氣體質(zhì)量流量測(cè)量。

外夾熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量

0　引言

工業(yè)生產(chǎn)過程中，流量測(cè)量是工業(yè)控制的一大領(lǐng)域，流量與溫度、壓力和物位一起稱為工業(yè)控制的四大參數(shù)，通常通過這些參數(shù)對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行監(jiān)視與控制，對(duì)氣體流量進(jìn)行正確的測(cè)量是保證生產(chǎn)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低消耗、提高效益、實(shí)現(xiàn)科學(xué)管理的基礎(chǔ)［1］。熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)是新發(fā)展起來的一種新型氣體流量檢測(cè)傳感器，這種傳感器壓力損失低、流量量程大、測(cè)量高精度和運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在生物工程、水利建設(shè)、航空航天、管道輸送、汽車工業(yè)、軍事工程等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。目前，熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量，需要改變管道的結(jié)構(gòu)，將測(cè)量傳感器插入或串接到氣體管道中，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易安裝，尤其是對(duì)小口徑管路的氣體質(zhì)量流量測(cè)量非常困難。本文設(shè)計(jì)了一種氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置，該裝置外夾在所測(cè)氣體質(zhì)量流量管的外側(cè)，用螺栓固定，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、實(shí)用，尤其適用小口徑管路的氣體質(zhì)量流量測(cè)量。

1　硬件設(shè)計(jì)

1.1測(cè)量原理

外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置屬于熱式氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置，根據(jù)托馬斯（Thomas）氣體的放熱量或吸熱量與該氣體的質(zhì)量流量成正比的理論，當(dāng)傳感器探頭被外熱源加熱，有氣體流過被加熱傳感器探頭，氣體就會(huì)帶走傳感器探頭的部分熱量，這時(shí)傳感器探頭本身的溫度就會(huì)發(fā)生變化，測(cè)量因氣體流動(dòng)而造成的傳感器探頭溫度變化，就可間接測(cè)量出氣體在管道內(nèi)的質(zhì)量流量［2］。

據(jù)托馬斯理論方程如下：

式（1）中：εf―在單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)消耗的電能；C―流過傳感器探頭表面的氣體定壓比熱；q―管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量；ΔT―氣體流過傳感器探頭表面，導(dǎo)致的電熱絲溫度差。

由上式可得到氣體的質(zhì)量流量表達(dá)式：

由（2）式中可知：因?yàn)榱鬟^傳感器探頭表面的定壓比熱C不變，是一個(gè)常數(shù)，所以管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量q隨著電能消耗εf和溫度差ΔT的變化而變化，要計(jì)算管道內(nèi)氣體質(zhì)量流量值，可保持電能消耗εf或溫度差ΔT一個(gè)量為定值，測(cè)得另外一值即可。如若保持的溫度差ΔT為恒定值，只需測(cè)量電能消耗量εf代入（2）式即可求得管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量q。

1.2測(cè)量裝置組成

測(cè)量裝置機(jī)械部分主要由卡具、測(cè)量裝置電路等組成。

1.2.1卡具

卡具由兩半圓型外卡、四個(gè)半圓型內(nèi)卡組成。兩半圓型外卡內(nèi)充滿隔熱膠，通過六個(gè)螺栓固定，形成筒形結(jié)構(gòu)，見圖1。隔熱膠內(nèi)鑲嵌有四個(gè)半圓型內(nèi)卡，左半圓型內(nèi)卡鑲嵌鉑電阻R5和測(cè)溫電阻RH，接線通過孔引出，見圖2。

圖1　測(cè)量裝置卡具外形

圖2　測(cè)量裝置卡具剖視圖

1.2.2測(cè)量裝置電路

測(cè)量裝置電路由補(bǔ)償電阻R5、測(cè)溫電阻RH、儀表用放大器AD623、巴特沃斯低通濾波器OPA333和由R1、R2、R3、Rk2、R4組成的橋式電路等組成。

測(cè)量裝置電路見圖3。補(bǔ)償電阻R5選用具有正溫度系數(shù)的鉑電阻，測(cè)溫電阻RH選用鉑電阻Pt20，鉑電阻Pt20電阻值比較小，電阻的溫度系數(shù)比較大，當(dāng)氣體流過鉑電阻Pt20的表面時(shí)，氣體會(huì)帶走部分熱量，鉑電阻Pt20的表面溫度會(huì)下降。當(dāng)有較大電流流過鉑電阻Pt20時(shí)，電阻溫度迅速上升。由于鉑電阻Pt20輸出信號(hào)比較微弱，其供電壓需要相對(duì)穩(wěn)定，為滿足相應(yīng)要求，電路才用LM385和一個(gè)2.5 k的電阻R0使其電壓穩(wěn)定在2.5V，再通過OP07組成電壓跟隨器，使輸入阻抗高輸出阻抗低，信號(hào)更加穩(wěn)定，起到了承上啟下的作用。放大電路采用儀表用放大器AD623，該電路在單電源供電的情況下，可以得到很高的性能，輸出的電壓可以達(dá)到整個(gè)電源幅值要求的范圍，放大增益可以利用電阻調(diào)整，調(diào)整范圍為1～1000。電路的增益電阻選擇200 ?，增益電阻放大倍數(shù)500倍。電路的濾波電路采用TI公司的OPA333組成2階巴特沃斯低通濾波器，OPA333具有超低失調(diào)（2 μV），超低靜態(tài)電流（17 μA），低至1.8V的工作電壓以及SOT23封裝體積小巧。

2　基本原理

2.1工作原理

隔熱膠和四個(gè)半圓型內(nèi)卡，按所測(cè)氣體質(zhì)量流量的管徑，做成不同的內(nèi)徑尺寸。使用時(shí)，旋開六個(gè)固定螺栓，將充滿隔熱膠的兩半圓型外卡、四個(gè)半圓型內(nèi)卡、補(bǔ)償電阻和測(cè)溫電阻Pt20套在所測(cè)氣體質(zhì)量流量管的外表面，用六個(gè)螺栓固定。當(dāng)氣體靜止不動(dòng)時(shí)，電路中的電橋處于平衡狀態(tài)，當(dāng)管路中氣體流量增大時(shí)，氣體會(huì)帶走Pt20表面的熱量，這時(shí)Pt20的電阻值下降，電橋失去平衡，使電路中運(yùn)放放大器AD623輸出的電壓增大，經(jīng)過OPA333組成的濾波電路，控制流過電阻Pt20的電流增大，Pt20電阻溫度迅速上升。所以，由于負(fù)反饋的作用，當(dāng)氣體流速或流量增大時(shí)，Pt20電阻溫度上升，補(bǔ)充喪失的熱量，輸出電壓增大；當(dāng)氣體的流速或流量減小時(shí)，Pt20表面的熱量喪失小，Pt20電阻溫度上升慢，輸出電壓也隨之減小，控制器就可由輸出電壓大小計(jì)算出氣體的質(zhì)量流量。

圖3　測(cè)量裝置電路

2.2溫度校正

為對(duì)環(huán)境溫度變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，在測(cè)量裝置電路電橋中加入一個(gè)溫度補(bǔ)償電阻R5。在電橋中與測(cè)溫電阻Pt20相對(duì)的橋臂，制成包含補(bǔ)償電阻R5的串并聯(lián)電路，其中的R5為具有正溫度系數(shù)的鉑電阻，將R5安放在與測(cè)溫電阻Pt20相同的流場(chǎng)中。補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)的依據(jù)是測(cè)溫電阻Pt20的溫度特性和補(bǔ)償鉑電阻的電阻溫度參數(shù)［3］，為了使流量測(cè)量裝置輸出不隨環(huán)境溫度變化，理論上應(yīng)滿足在任何環(huán)境溫度下：

式（3）中：是橋臂電阻。根據(jù)公式（3），選取合適的參數(shù)（R3，R4，R5），就使得當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，R4與RH的比值保持不變。

3　測(cè)試結(jié)果

為了測(cè)試外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置的性能，本文在20℃環(huán)境溫度下，用直徑為10 mm的管路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用音速噴嘴法氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置，音速噴嘴由于精度高、復(fù)現(xiàn)性好、工作性能穩(wěn)定、尺寸緊湊，已成為工業(yè)部門氣體流量的計(jì)量傳遞標(biāo)準(zhǔn)和作為高精度氣體流量給定裝置。測(cè)試通過示波器測(cè)量和記錄輸出電壓，實(shí)驗(yàn)從小到大控制氣體流量。對(duì)測(cè)出的輸出電壓與流量的關(guān)系，進(jìn)行基于最小二乘法的4階多項(xiàng)式擬合［4］，建立外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置的數(shù)學(xué)模型，擬合曲線如圖4所示。

圖4　氣體流量與輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖

由圖4可見，外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置，氣體流量與輸出電壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)悉擬合曲線與標(biāo)定結(jié)果進(jìn)行精確的匹配，說明外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置可以進(jìn)行精確的測(cè)量。

4　結(jié)束語

本文介紹了外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置的的基本原理，分析了流量傳感器的測(cè)量電路原理，外夾熱式小口徑氣體質(zhì)量流量測(cè)量裝置具有測(cè)量重復(fù)性好，可以進(jìn)行精確的測(cè)量，安裝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，適合于細(xì)小管道的氣體流量的測(cè)量。

［1］朱良，譚德榮，趙瑋.熱線式空氣流量計(jì)的測(cè)量技術(shù)［J］.山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，20（3）：81-84.

［2］趙偉國，宋執(zhí)環(huán)，黃震威等.基于熱膜探頭的新型氣體流量傳感器研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2009，30（5）：1073-1077.

［3］吳克.剛溫差式熱膜空氣質(zhì)量流量傳感器［J］.長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，22（5）：86-88.

［4］劉偉，丁水汀，趙立峰.熱膜式空氣質(zhì)量流量傳感器動(dòng)態(tài)特性研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（5）：15-17.

Design of Outside External Clip Hot Typesmall Gas Mass Flow Measurement Device

Zhang Yufeng，Chen Yuanjiang，Yan Yanhua，Peng Lei
（Wuhan Ordnance Noncommissioned Officerschool，Wuhan 430075，China）

The outside heat typesmall gas mass flow measurement device is a device to be installed outside the pipe，which is mainly composed of the fixture，measurement device circuit，etc.This paper introduces the basic working principle，installation method，analyzes the measurement circuit，andstudies the temperature compensation method.Polynomial fitting is used for relationship between the outputVoltage and flow based on leastsquares.The application resultsshow that the measurement method for the device issimple and practical，and it can accomplish the measurement of the air flow，especially forsmall diameter pipeline gas mass flow measurement.

external clip；hot type；gas quality；flow measurement

TP212

A

1003-4862（2015）10-0031-03

2015-07-15

張玉峰（1959-），男，教授，長(zhǎng)期從事裝備維修教學(xué)與研究工作。