基于STM32單片機小流量熱式氣體質量流量測量儀研制

東北石油大學電子科學學院 宋維寧 韓 建 劉春華 廖 彧 黃 穎

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基于STM32單片機小流量熱式氣體質量流量測量儀研制

東北石油大學電子科學學院 宋維寧 韓 建 劉春華 廖 彧 黃 穎

【摘要】氣體小流量檢測是當前火燒井助燃氣體關鍵技術之一，本文設計了基于恒溫差法熱式氣體流量測量電路；提出自動溫度補償電路設計思路，通過得到與各個瞬時流量以及氣體溫度對應的電壓值，計算并在液晶屏上顯示不同流速對應的實時電壓曲線，計算出瞬時流速以及累積流量值；實驗結果表明在小流量測量中精度達到2％以下。

【關鍵詞】熱式氣體流量測量；小流量氣體測量；熱流量傳感器；溫度補償

國家大學生創新實驗指導項目（編號：201510220051）。

0　引言

石油是重要的非再生性戰略能源，對我國的國民經濟、人民生活和國家安全具有特殊的意義，而火燒油層是提高原油采收率的重要方法之一[1]，對于火燒油層采油技術來說，能夠很好的檢測井下是否注入了適量氧化劑十分關鍵；混合氣體一般都具有臟污嚴重、組分變化、在接近井下底部溫度和壓力變化以及流量變化不大等特點，不利于流量檢測，因此開展混合氣體的小流量氣體質量流量測量的方法研究勢在必行[2-4]。熱式氣體流量計直接測量氣體的質量流量，是氣體流量測量(尤其是天然氣、煤氣等混合氣體)中較適合的一種流量計量手段，本文充分發揮熱式氣體流量測量方法優勢，進行小流量氣體檢測方面研究。

1　熱式氣體質量流量測量原理

熱式氣體質量流量計是一種堅固型質量流量儀表，其結構如圖1所示。在測量管路中插入2個鉑電阻Pt100作為探頭，用于測量氣體的速度與流體的溫度，分別稱為速度探頭和溫度探頭[5]。

圖1　熱式氣體質量流量計組成結構示意圖

熱式氣體質量流量計利用了流體（氣體）與固體（傳感器探頭）之間的熱傳導原理—L.V.KING定理[5]，提供給速度探頭的電功率等于流動的氣體對流換熱所帶走的熱量。即：

式中：h為對流換熱系數；A0為探頭的表面積，一般情況下探頭為圓柱體，所以；l為探頭長度；d為探頭直徑；Ta為探頭溫度；Tb為氣體溫度。hA0可表示為：

式中：u為管內平均流速；B0、C0是經驗常數。

氣體的質量流量qm為：

由此可看出在Tb一定的條件下，流體的流量qm是電流Ia和溫度Ta的函數，只要固定這2個參數中的任何一個，都可以獲得流量qm與另一個參數的單值函數關系。

2　檢測電路

如圖2所示的電路圖中，Ra、Rb、R6、R7構成橋式電路，Rb為發熱鉑電阻，當空氣吹過電阻絲Rb時引起阻值的改變，放大器用來檢測a、b兩點的電位差。A2、A1、Q1組成整個電流反饋控制電路。即當檢測到Uab時，反饋控制電路隨時增加或減小通過鉑電阻的電流，使電橋恢復平衡。再取與電阻絲同一支路的R7兩端的電壓為輸出信號。當通過Rb和R7電流變化時，R7兩端的電壓也隨之變化，取為流量輸出的電壓信號。

圖2　發熱器控制電路

可以注意到電阻絲是正溫度系數的溫敏電阻，當空氣溫度變化時其阻值也會變化，將導致無空氣吹過時電橋也會隨氣溫本身變化失去平衡，造成測量誤差。若在熱線相對的橋臂上接入相同正溫度系數的電阻Ra，當氣溫變化時，a、b兩點的電壓同增同減，兩點的電位差將保持Uab不變。由Ra、R1、R0組成溫度補償橋臂。

3　測試結果及數據分析

實驗裝置搭建完成后，保持室溫不變，啟動吹風機，通過改變距離來改變氣體流速，并測量輸出電壓；通過調節使流速從零逐漸增大，并測量記錄電壓數據（加載電壓）；然后從最大值逐漸減小至零，并測量記錄電壓數據（卸載電壓）。基于溫度并不屬于瞬變量，需要一定時間，因此測量時需要等待數值穩定后進行記錄；進行多次測量，提高數據可靠性同時驗證系統的重復性，實驗數據如表1所示。

表1　常溫下樣機實驗數據

4　結論

本文基于STM32單片機，設計了小流量熱式氣體質量流量測量儀。通過實驗，可以得出以下結論：加載和卸載時，流量計樣機輸出信號存在一定的回差，但是在小流速（0m/s～3m/s）情況下，回差在0.5％以內。通過分析比較多組樣機加載和卸載的實驗數據，可以得出流量計樣機具有良好的重復性。被測氣體的流速和流量計樣機輸出電壓之間是非線性的關系。流量計樣機的量范圍為0m/s～8m/s；實驗結果驗證了對流速為0m/s～3m/s的小流量氣體的流量測量具有高靈敏度和良好的重復性，測量精度可達±2％。所以本文設計的流量計樣機可以作為小流量氣體質量流量的測量工具，但同時也表明該流量計還存在一些誤差，需要進一步完善。

參考文獻

[1]張方禮.火燒油層技術綜述[J].特種油氣藏,2011,18(6):1～5．

[2]黃雪蓮,武興,白亞磊.氣體流量檢測技術的研究與應用[J].江蘇現代計量,2012,5:28～29．

[3]許慶輝,邢寶慶,黃玉河.流量測量技術和儀表[J].中國科技投資,2013(20):114～116.

[4]李得天,馮炎,成永軍,等.極小氣體流量測量技術研究[J].真空科學與技術學報,2011,31(4):435-439．

[5]梁國偉,李長武,王芳.多點熱式氣體質量流量測試方法實驗研究[J].傳感技術學報,2005,18(4):785-789．