1、熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理與設(shè)計(jì)熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)的原理與設(shè)計(jì)簡(jiǎn)浩(jh 163,com)概述：氣體質(zhì)量流量計(jì)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(dòng)補(bǔ)償?shù)脑?根據(jù)熱敏電阻特性、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jì)。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(jī)(uc)進(jìn)行瞬時(shí)數(shù)顯和累計(jì)數(shù)顯及非線性校正運(yùn)算,實(shí)現(xiàn)氣體質(zhì)量流速流量的數(shù)字智能化的測(cè)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、又呈波流體、海綿體和升騰浮力,分子

2、間相互有間隙。氣體分子的粒子波時(shí)刻在作不規(guī)則沖量碰撞運(yùn)動(dòng),分子的浮力質(zhì)量小于引力。因此,氣體分子具有很強(qiáng)的可壓縮性、溫度系數(shù)、吸濕性,對(duì)溫度、壓力、體積特別敏感,密度在時(shí)刻發(fā)生變化。測(cè)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(cè)控描述氣體的流量。目前比較認(rèn)同的是鐘罩法檢測(cè)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/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(qiáng)；N-分子量.)作基準(zhǔn)比較換算,目前還沒有

3、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(shí),溫度每增減1,其壓強(qiáng)的增減等于在0時(shí)的1/273。當(dāng)在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓760mmH汞柱的0時(shí),其密度是1.2928 Kg/m3。所以,氣體流量的檢測(cè)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(jì)原理：熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)采用一個(gè)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,恒功率和恒溫差亦同時(shí)得到應(yīng)用。氣體分子流動(dòng)時(shí)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(

4、S21),于此同時(shí),加熱傳感器自動(dòng)補(bǔ)充被氣體分子帶走的熱量,由于傳感器補(bǔ)充熱量需要能量(電壓V、電流I)和時(shí)間S,在這個(gè)時(shí)間內(nèi)傳感器還有多少溫度差未得到補(bǔ)充達(dá)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(gè)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(cè)量電路就是抓住恒溫差轉(zhuǎn)換的電壓差信號(hào),通過加減乘除和開1/4次方儀表芯片運(yùn)算放大及熱電阻非線性信號(hào)的模擬電路信號(hào)處理。既使氣體的溫度變化,介質(zhì)溫度變化,但沒有流動(dòng),模擬檢測(cè)的輸出仍然是零,氣體流動(dòng)時(shí)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(shí)際密度和流量有關(guān)系

5、。熱力學(xué)物理原理是熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)設(shè)計(jì)依據(jù)。恒功率法檢測(cè)高速高量程優(yōu)勢(shì),低速低量程有缺陷,恒溫差法檢測(cè)低速低量程優(yōu)勢(shì),高速高量程有缺陷。所以,我們?cè)O(shè)計(jì)電路同時(shí)采用了兩種原理,得到了優(yōu)劣互補(bǔ)大小量程均能測(cè)控的效果。熱電阻特性.熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)測(cè)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))。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、3.8和7.6,舉例PT1000,0時(shí)阻值1000,100

6、時(shí)阻值為1385,400時(shí),2600(2.6k)。鉑金屬電阻率m 0=0.09810-6 18=0.10510-6單位溫度電阻變化率/表達(dá)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(shí)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(jià)格低和可靠性的優(yōu)勢(shì)。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(shí)需裝入316L不銹鋼或哈氏合金的保護(hù)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(cè)控?cái)?shù)據(jù)嚴(yán)重失實(shí),直至儀表不能使用或不能正常工作。熱式氣體質(zhì)量流

7、量計(jì)中的熱力學(xué)問題,面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)有：熱傳導(dǎo)、熱擴(kuò)散、熱補(bǔ)償、熱幅射、熱零漂、熱時(shí)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(shí)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(qiáng)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(0.1-0.3m)、精確度(0.5-1)、響應(yīng)時(shí)間(1S)。儀表的調(diào)試.氣體流量計(jì)組成由模擬測(cè)量PCB電路板、16位A/D轉(zhuǎn)換和單片機(jī)PCB電路板兩部分組成。用于測(cè)量的PCB板電路設(shè)計(jì)的調(diào)試簡(jiǎn)便,P1、P2作為靜態(tài)調(diào)整惠斯頓電橋熱平衡測(cè)試點(diǎn)

8、,調(diào)旋RP0調(diào)零電位器,使P1、P2兩點(diǎn)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(diǎn)時(shí),盡可能讓加熱傳感器有足夠的時(shí)間充份加熱。然后是在儀表標(biāo)定時(shí),按用戶的滿量程(標(biāo)定時(shí)還要適當(dāng)加高一點(diǎn)滿量程便于留有余量,不影響計(jì)量,避免客戶定貨滿量程估算不夠,插入現(xiàn)場(chǎng)沖滿數(shù)據(jù)而沒有變化)即最高氣流速度啟動(dòng)風(fēng)洞氣流速度,這時(shí)調(diào)旋RP1調(diào)滿電位器,使模擬板末級(jí)輸出(0-5V或4-20mA)端輸出達(dá)到或接近5V及20mA,對(duì)應(yīng)A/D模/數(shù)轉(zhuǎn)換送單片機(jī)運(yùn)算設(shè)定滿量程時(shí)應(yīng)顯的數(shù)值,這時(shí)儀表調(diào)時(shí)結(jié)束。儀表的標(biāo)定.熱式氣體質(zhì)量流計(jì)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)

9、,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=R23600(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=GR2sPa(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20時(shí)的空氣質(zhì)量-工況溫度1/273-絕對(duì)溫度使用風(fēng)速標(biāo)定專用軟件,通過計(jì)算機(jī)連接風(fēng)洞標(biāo)校用的皮拖管差壓流量計(jì)4-20mA的輸出和儀表的串行口輸出,即可實(shí)現(xiàn)微機(jī)標(biāo)定。但是,工況與標(biāo)況總是或多或少的有點(diǎn)區(qū)

10、別。儀表具有4-20mA、RS232和RS485及繼電器報(bào)警的輸出接口,可于以太網(wǎng)接口等智能程序測(cè)控功能。儀表的安裝.熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)在現(xiàn)場(chǎng)的使用需要有一定的流場(chǎng),才能在現(xiàn)場(chǎng)管道內(nèi)獲取比較均衡、相對(duì)穩(wěn)定、動(dòng)勢(shì)暢通、線性度較好、具有采測(cè)平均流量、傳感器插入深度和具有代表性的氣體流量信號(hào)。管道內(nèi)流動(dòng)氣體產(chǎn)生的壓力,是氣體分子對(duì)管壁撞擊作用力而產(chǎn)生的壓力,氣體流動(dòng)時(shí)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(dòng)勢(shì)邊界層分布走勢(shì)截面坐標(biāo)掃描圖像在時(shí)刻發(fā)生跳動(dòng)變化,傳感器熱電阻轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)亦隨之變化,管道截面掃描各個(gè)像素點(diǎn)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

11、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的推進(jìn)而增加,流量動(dòng)態(tài)范圍寬,瞬時(shí)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(chǎng)下都有一定關(guān)系。因此,儀表安裝在直管道的多經(jīng)驗(yàn)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(300mm)的1/2處,基本是相對(duì)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(chǎng)的空間布局、流場(chǎng)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(jì)的測(cè)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(duì)于做好熱式氣體質(zhì)量流量的整機(jī)性能至關(guān)重要。.PT1000熱敏電阻首先刮去絕緣漆、吃錫,焊

12、接耐200的細(xì)絕緣導(dǎo)線,引線長(zhǎng)度視儀表傳感探桿(19標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一)的長(zhǎng)度而定；.準(zhǔn)備裝入長(zhǎng)套管(3)的S11和S21兩只傳感器的藍(lán)色對(duì)藍(lán)色的面用502臨時(shí)對(duì)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(zhǎng)、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(zhǎng)度,導(dǎo)熱膠要密實(shí),避免影響分辯率；.分別用高壓絕緣電阻測(cè)試搖表測(cè)試兩個(gè)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(dòng)；.然后將探頭和探桿對(duì)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(jì)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(jī)械圖紙。結(jié)束語：熱式氣體質(zhì)量流量計(jì)對(duì)檢測(cè)氣體質(zhì)量流量與速度式、容積式、差壓式