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组合热膜探头热式气体流量计

时间:2018/08/04来源:未知

摘要:先容了一种传热原理的组合热膜探头.在对该组合热膜探头的温度特性以及温度补偿性能进行实验研究的基础上, 设计了具有温度补偿的气体流量计, 并在音速喷嘴检定装置上对该流量计进行了流量检测实验.对实验结果的拟合和处理表明, 该气体流量计的测量精度优于 0 .5 %, 流量范围度大于 60 ∶1.

  Abstract:A n a ssem bled ho t-film pr obe which wa s based on the principle of the heat transfe r w as intro duced.O n the basis of te sts o n the tem pe rature cha racteristics o f the ho t-film pro be and ex pe rim ental r esear ch o n thetem per ature co m pensatio n perfo rm ance , a gas flow- me te r fo r tem pe rature com pensation was designed.T heflow m easuring e xperim ent o f the flo w-m e te r w as tested o n So nic N ozzle .T he results o f ex pe rim ent dataprocessing prov ed that its precision is below 0.5% and its m easuring r ang e is ove r 60 ∶1.

产品价格:

价格 ¥ 850.00~9800.00元
起批量 ≥1 

  目前气体流量检测使用仪表一般有涡轮流量计涡街流量计旋进旋涡流量计 、差压式流量计和容积式流量计等 .这些仪表虽能满足一般的工业应用, 但仍存在许多不足[ 1 , 2].首先 ,差压式、旋进旋涡和容积式等流量仪表压力损失较大 ,浪费能源的现象严重 ,涡轮流量计有可动部件,工作寿命短 ;其次, 它们的测量范围度都比较小, 差压式流量计一般在 3 倍左右, 其它流量计在 10 倍左右,有的可以达到 20 倍左右, 但在小流量测量方面有较大缺陷 ;第三 ,测量精度低 ,目前国内的上述气体流量仪表的测量精度一般也只能达到1 %.
  热式流量计在热线风速仪的基础上发展起来, 一般用来测量气体的质量流量 .其具有压损低,测量范围度大,无可动部件以及可用于极低气体流量监测和控制等特点 .在气体流量检测领域已得到一定的应用[ 3-5].

  早期的热式流量计也有用热线(一般是直径为 3 ~ 20 μm 的铂丝)作探头的, 但由于结构上的原因 , 热线置于气流中 , 比较容易损坏 .热膜探头就是因为能够克服热线探头容易损坏的缺点得到广泛应用的 .目前使用的热膜探头一般都是在微小的陶瓷基片上沉积金属铂形成的热膜探头[ 6-8], 具有结构牢固 、反应灵敏、一致性好等特点 .

  组合热膜探头将多个电阻集成在同一陶瓷基片上 ,是目前比较新颖的热式流量探头 .一般在同一陶瓷基片上集成两个热膜电阻, 一个作加热使用, 一个作补偿使用.两个电阻或独立引线(4线), 或接成公共端引线(3 线).3 线组合热膜探头的内部结构如图 1 .
图 1  组合热膜内部结构
图 1  组合热膜内部结构
  从内部结构可以看到, 该探头是将加热电阻和补偿电阻串联集成在一片底层陶瓷基片上, 基片厚度仅为 0 .15 mm ,两个电阻由三条低阻导线引出 ,探头尺寸为 7 mm ×2 .4 mm .传感元件包括两个固定于底层基片的随温度变化的铂膜电阻和一个公共端,其中低阻值电阻的一块小区域用作加热电 阻 RH , 在 0 ℃时, 探 头电阻 为 45 Ψ(±0 .5 %);而另外一个高阻值电阻用作补偿电阻RC , 在 0 ℃时 , 探头电阻为 1 200 Ψ(±0 .5 %).因为它的热容量低, 传感器有较快的加热和冷却的反应时间 .

1 、整体系统设计:
  控制核心单元选用的是美国 TI 企业生产的单片机 M SP430F435 , 图 2 为整个系统的结构框图 .系统控制器为一片 MS P430F435 单片机 .外部模块包括流量检测 、电源模块 、按键模块 、液晶显示模块 、标准电流输出 、时钟芯 片等 。
图 2  系统结构框图
  对于热式质量流量计来说, 它的流量检测是根据热平衡原理, 电流流过热膜探头所产生的热量应该等于流体流过热膜探头所带走的热量.在恒温工作模式下, 利用惠斯登电桥可以得到与流量成一定对应关系的电压输出, 然后经过信号放大电路使电压信号进入 MSP430 单片机的 A/D转换模块转换为数字量, 并进行流量的积算 ,***终使其具有瞬时流量和累积流量的液晶显示.
1 .1、组合热膜探头检测电路:
  组合热膜探头的流量检测电路如图 3 .主要包括温度补偿电路和信号放大两部分 , 其中温度补偿桥路完全是在探头散热特性的基础上进行设计,在整个检测电路中具有很重要的作用.探头散热特性试验和补偿设计原则与单热膜探头类似[ 6 , 7].不同点是组合热膜探头的补偿电阻与加热电阻在同一陶瓷基片上 ,所以,加热电阻的热量必定会影响补偿电阻感受介质温度.为了消除这种影响,可以在探头散热特性试验时预先检测加热探头在不同环境温度下对补偿探头测温的影响,并在补偿桥路设计时加以扣除 .
  加热探头 RH 和补偿探头 RC 都安装在流通管道中,两个探头与固定电阻 R1 和 R2 组成测量桥路 .管道中气流静止时 ,根据加热探头的散热特性设计的桥路参数将使通过加热探头 RH 的电流I H 维持在某一静态电流以维持探头温度 TH .当气流通过管道时,探头温度 TH 有下降的趋势 ,这一趋势通过反馈能及时增加探头电流 IH 来维持探头原有的温度 TH , 这就是恒温工作方式 .可以证明 ,通过加热探头的电流 IH 与质量流速 ρv 之间有式(1)所示的关系[ 9].
计算公式
  当探头工作在恒温方式时, 热线和被测气体的 R 温度差(TH -TC)保持一定, R H 应为常数,供给热线的电流 IH 就是空气质量流量的衡量尺度.信号电流 IH 的平方与质量流量 qm 的平方根成正比.电流 IH 在 R1 上的压降 V 作为流量信号,通过放大处理输出, 与质量流量 qm 之间的关系应为四次多项式曲线关系.
图 3  流量检测电路

图 3  流量检测电路

1 .2 、App设计:
  整体系统的App程序采用 C 语言编写 ,App算法的设计以测量的性为主要目标 ,其主要程序流程图如图 4 .
图 4 程序基本流程图

图 4 程序基本流程图
  系统的App部分主要包括信号采集、瞬时流量计算模块、流量累积模块、串行同步/异步模块、显示和按键处理模块[ 10].
  瞬时流量计算模块主要就是将 A/D 转换后的电压信号按照式(2)算出瞬时流量。
  Q =A +BU +CU2+DU3+…式(2)中:A , B ,C ,D 为待定常数.
  流量累积模块是整个系统的核心 ,关系到整个仪表的精度 .App设计思路采用 1 s 一次的定时中断对瞬时流量进行累积, 实现流量的累积.为了能够实现流量信号的远传需要将流量信号转换为 4 ~ 20 m A 的标准电流信号 ,也就是标准电流输出单元 .本单元的核 心部分是采用A D420 芯片来实现的 , 单片机通过串行同步/ 异步模块(USART), 然后再经过 AD420 转换为标准的 4 ~ 20 m A 电流信号进行远距离传输.按键处理模块主要是使 LCD 液晶具有瞬时流量和累积流量的切换显示功能.

2 、流量测量实验:
  根据上述流量检测电路 , 设计了 DN25 的组合热膜探头气体流量传感器, 流量传感器的探头安装结构如图 5 .在音速喷嘴检测装置上对流量传感器进行了多次检测实验, 取 3 组实验结果数据进行分析,如表 1 .
图 5  流量传感器探头结构示意图

图 5  流量传感器探头结构示意图
表 1  流量测量实验数据
表 1  流量测量实验数据
 把表 1 的数据画成曲线图如图 6 .
图 6  流量与电压关系图
图 6  流量与电压关系图
  从表 1 和图 6 可以看出,电压与流量之间具有较好的一一对应关系,于是大家就可以根据输出的电压来检测流场中的流量 .并且在相同的实验条件下,当气体流量相同时 ,三组实验的输出电压值也基本相同,即三组实验的输出电压重复性较好.这就表明该组合热膜探头测量气体流量是可行的.

3、曲线拟合及误差分析:
  大家采用的是多项式拟合 .一般流量计对应的响应方程通常需要描述成 Q =F(U), Q 为流量,U 为对应变化的电压 .这里对实验中的组数据进行基于***小二乘法的 6 阶多项式曲线拟合, 并确定其拟合公式,建立流量传感器的数学模型.如式(3):
  Q =1 .896 9U6-7 .157 8U5-9 .167 9U4+76 .901U3-111 .92U2+68 .772U -14 .705
  根据式(3)计算这三组所测流量的拟合误差,如表 2 .从表 2 可以看出三组实验数据的拟合误差均在 0 .5 %以下 , 完全符合一般工业管道流量的测量,而且其测量范围度很广,在 60 倍左右,且精度非常高.这是其它流量计无法比拟的.

  热式气体质量流量计原理
 
  气体质量流量计采用热扩散原理,热扩散技术是一 种在苛刻条件下性能优良、可靠性高的技术。其典型传 感元件包括两个热电阻(铂RTD),一个是速度传感器, 一个是自动补偿气体温度变化的温度传感器。当两个 RTD被置于介质中时,其中速度传感器被加热到环境温 度以上的一个恒定的温度,另一个温度传感器用于感应 介质温度。流经速度传感器的气体质量流量是通过传感 元件的热传递量来计算的。气体流速增加,介质带走的热量增多。使传感器温度随之降低。为了保持温度的恒定,则必须增加通过传感器的工作电流,此增加的部分电流大小与介质的流速成正比。
 
  热式气体质量流量计概况:
 
  目前我国所用的  气体质量流量计存在着量程比小的问题, 量程下限以下的流量基本丢失,然而这在某些领域不可接 受,在燃气等贸易结算场合更是无法忍受。IKT系列热式气 体质量流量计圆满地解决了这个问题。
 
  1特点
 
  HD-RSL系列气体质量流量计既可进行气体流量计量工 作,也可用于过程控制领域。它引进美国先进技术生产,无须温压补偿,直接测出流体的质量流量。它的突出特点 是:没有可动部件;压力损失小;量程比宽;精度高;可 靠性高;安装简单,操作方便。可以在所有领域全面替代 孔板和差压式流量计。
 
  2. 用途:
 
  本产品广泛应用于钢铁厂、焦化厂、石油、化工、热 力、医疗、热电厂、环保等行业。
 
  可进行:
 
  ●钢铁厂,焦化厂煤气流量测量
 
  ●锅炉空气流量,测量二次风量
 
  ●烟囱排出的烟气流量测量
 
  ●水处理中瀑气流量测量
 
  ●水泥,卷烟,玻璃厂生产过程中气体流量测量
 
  ●压缩空气流量测量
 
  ●天然气,煤气,液化气,火炬气,氢气等气体流量测量
 
  技术参数:
 
  ●测量范围:(0.05~80)Nm/s(标准状态为20℃,101.33KPa)
 
  ●测量方式:管段式 插入式
 
  ●温度范围:环境温度:-40℃~+60℃
 
  介质温度:-10℃~+500℃
 
  ●准 确 度:±1%的读数;±0.5%满量程
 
  ●重 复 性:±0.5%的满量程
 
  ●输    出:4-20mA DC(zui大负载600Ω);RS232;RS485
 
  ●响应速度:小于1S                   热式质量流量计
 
  ●供电电压:24VDC±10%
 
  ●机械连接:3/4NPT不锈钢紧固件 (插入式);法兰
 
  ●探杆长度:800mm(此长度为插入式标准长度,特殊请声明)
 
  ●探杆直径:18mm(插入式)         热式质量流量计
 
  ●直管段长度:无严格要求
 
  ●压力损失:可以忽略                热式质量流量计
 
  ●工作压力:1.6MPa ;7.3MPa
 
  ●现场显示:LED显示 ;LCD显示
 
  ●数据保护: 累计量保存在EEROM内,(断电可保存百年)
 
  ●传感器及管线表体材料:316L(可选哈氏合金C)
 
  ●防护等级:IP65                   热式质量流量计
 
  ●防爆等级: ExdIICT4
 
  四、应用实例
 
  1.石油化工行业
 
  应用场合:火炬气排放监控
 
  产品优点:宽量程比,传感器不易堵塞,可在线插拔清洗,适用气体广泛
 
  2.电力行业
 
  应用场合:锅炉一次风、二次风、磨煤风的风量测量
 
  产品优点:安装简便,无直管段要求,低压力损失,无需温压补偿,可在苛刻的条件下使用(如:空气中含有粉尘、颗粒、磨损严重、低压力等)
 
  3.冶金行业
 
  应用场合:高炉煤气、焦炉煤气测量
 
  产品优点:按实际介质组份标定,可对组份变化进行修正,可在线清洗传感器,插入长度可任意调整
 
  4.电子行业
 
  应用场合:高纯度气体质量流量测量
 
  产品优点:无需温压补偿直接测量质量流量,传感头经过高度抛光,可用于贸易结算
 
  5.供暖通风和空调系统(HVAC)
 
  产品优点:产品反应灵敏、运行可靠,对安装直管段无严格要求
 
  6.水处理行业
 
  应用场合:测量曝气池的空气流量
 
  产品优点:耐脏、耐尘,真正无压降,现场安装简便
 
  7.食品行业
 
  应用场合:向反应器中通入适量气体,控制过程及质量
 
  产品优点:卫生级3A,高纯净度,所有接液表面采用不锈钢,宽量程比

4、结语:
  本文所研究的组合热膜探头气体流量传感器,在工作电流为 30 m A 左右时 ,探头环境温差已有摄氏 100 多度, 具有较高的灵敏度 .该工作电流不到一般20 Ψ热膜电阻工作电流的一半 ,从而使探头更不容易损坏 .
表 2 三组实验数据的拟合误差
表 2 三组实验数据的拟合误差
  试验表明 ,该气体流量传感器测量范围大,重复性好,响应速度高 .经音速喷嘴气体流量装置实验检测,6 阶拟合误差小于 ±0 .5 %, 测量范围达60 ∶1 , 可以用于管道气体流量的测量 .

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