热式气体质量流量计的原理与设计

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1、热式气体质量流量计的原理与设计热式气体质量流量计的原理与设计简浩(jh070115@163,com)概述：气体质量流量计在很多行业产业得到广泛应用,目前主要采用热力学、恒温差、恒功率和温度自动补偿的原理,根据热敏电阻特性、工业现场技术指标要求、电子元器件功能和模拟电子电路功能而设计。经过标准风洞系统标定,通过A/D模/数转换,送单片机(uc)进行瞬时数显和累计数显及非线性校正运算,实现气体质量流速流量的数字智能化的测控。关键词：直接质量流量,恒温差,热力学,模拟电子,系统标定,不受温度影响,稳定可靠。气体的属性.气体分子从微观的角度看属于二相性性物质,即

2、是物质的基本粒子、又呈波流体、海绵体和升腾浮力,分子间相互有间隙。气体分子的粒子波时刻在作不规则冲量碰撞运动,分子的浮力质量小于引力。因此,气体分子具有很强的可压缩性、温度系数、吸湿性,对温度、压力、体积特别敏感,密度在时刻发生变化。测控气体流量用体积流量不能够确切,只有质量流量才能较为精确测控描述气体的流量。目前比较认同的是"钟罩"法检测作标准依据来比较,企业基本都是使用玻意耳定律、查理定律、盖阿伏加德罗的理想气体方程式("三同定一同"和"气体三要素"、V1/V2=n1/n2=N1/N2；P1/P2=n1/n2=N1/N2；V1/V2=P1/P2；ρ1

3、/ρ2=M1/M2；n-物质的量；V-体积；M-摩尔质量；P-压强；N-分子量.)作基准比较换算,目前还没有完善的法定的基准和标准,多是企业标准、理想标准和接近标准。气体的温度特性：当质量、体积不变时,温度每增减1℃,其压强的增减等于在0℃时的1/273。当在标准大气压760mmH汞柱的0℃时,其密度ρ是1.2928Kg/m3。所以,气体流量的检测多以标准条件下理想状态作参考基准换算气体质量流量。设计原理：热式气体质量流量计采用一个恒功率即恒流源给传感器加热,产生一定的恒定温度,传感器总比周围环境空气介质变化温度高出一定(35℃)的恒定温度差,即静态热平

4、衡,恒功率和恒温差亦同时得到应用。气体分子流动时带走传感器(S11)的热量的多少与空气流体的流速、流量、气体分子的多少成正比,热敏电阻传感器阻值亦随之减小(S21),于此同时,加热传感器自动补充被气体分子带走的热量,由于传感器补充热量需要能量(电压V、电流I)和时间S,在这个时间内传感器还有多少温度差未得到补充达到静态热平衡(建立静态热平衡是通过模拟电路的惠斯顿电桥电路组合),这个温度差(T11介温基准参考臂)和传感器阻值转换的电压随着管道内气体分子密度、流速、流量变化而变化,即恒温差。测量电路就是抓住恒温差转换的电压差信号,通过加减乘除和开1/4次方仪

5、表芯片运算放大及热电阻非线性信号的模拟电路信号处理。既使气体的温度变化,介质温度变化,但没有流动,模拟检测的输出仍然是零,气体流动时而转换的数据不变,不掉数,不增数,只与气体的实际密度和流量有关系。热力学物理原理是热式气体质量流量计设计依据。恒功率法检测高速高量程优势,低速低量程有缺陷,恒温差法检测低速低量程优势,高速高量程有缺陷。所以,我们设计电路同时采用了两种原理,得到了优劣互补大小量程均能测控的效果。热电阻特性.热式气体质量流量计测量传感器目前大多采用PT100、PT500、PT1000、PT2000(正温度系数。即温度上升,阻值增加,负温度系数相

6、反。)及半导体热敏电阻NTC(负温度系数)。由于PT薄膜铂电阻的温度系数稳定,温度每升降1℃,PT10、PT100、PT1000、PT2000电阻值变化依次是0.038Ω、0.38Ω、3.8Ω和7.6Ω,举例PT1000,0℃时阻值1000Ω,100℃时阻值为1385Ω,400℃时,2600Ω(2.6kΩ)。铂金属电阻率Ω·m0℃=0.098×10-618℃=0.105×10-6单位温度电阻变化率Ω/Ω/℃表达式(R100-R0)/100R0(1-1)式中R100和R0代表铂热敏电阻分别在100℃和0℃时的电阻值。薄膜铂热敏电阻具有很好的复制性、重复性、

7、一致性、线性度、稳定性、精确性、价格低和可靠性的优势。PT铂热敏电阻的缺陷是抗介质腐蚀和抗氧化性能差,热容比和热惯性较大,使用时需装入316L不锈钢或哈氏合金的保护套管中。但若使用不妥,热力学、非线性和其特性很难把握住,否则,温度系数大,受温度影响严重,使测控数据严重失实,直至仪表不能使用或不能正常工作。热式气体质量流量计中的热力学问题,面临的技术挑战有：热传导、热扩散、热补偿、热幅射、热零漂、热时漂、热梯度、热传递、热容比、热负载、热稳定、热适度、热摆幅、热响应、热惯性、热交换、热吸收、热效应、热功耗等涉及到热力学方面的知识和技术。不注意处理把握好这些

8、疑难、且不易彻底解决、关键性很强的应用细节技术,将直接影响仪表技术指的稳定性(0