摘要:介紹了熱式(shi)氣體質量(liang)流量(liang)計 的(de)測量原理(li),表頭(tou)電(dian)路仿真過程(cheng)和儀表參(can)數設(she)置。應(ying)用兩(liang)個熱(re)電阻傳感(gan)器，一個測(ce)流速(su)，另一個(ge)測溫。通(tong)過電(dian)橋電(dian)路調整兩(liang)個(ge)探頭至(zhi)恒溫(wen)差，通(tong)過标定不同流速下(xia)的電橋加(jia)熱功(gong)率實(shi)現熱(re)式氣(qi)體瞬時(shi)流量的(de)準确(que)計量。由于(yu)儀表電路(lu)的複(fu)雜性(xing)，采用電路(lu)仿真的(de)方法對(dui)電橋(qiao)電路進行(hang)測試，針對(dui)不同(tong)測溫(wen)傳感器的(de)工況(kuang)溫度(du)值，仿(pang)真不(bu)同氣(qi)體流(liu)速下，不同(tong)測速(su)探頭(tou)的實時溫(wen)度值，驗(yan)證了不(bu)同瞬時(shi)流量下(xia)測溫探頭的加(jia)熱功率并不相(xiang)同.且具有(you)标定可行(hang)性。再以美(mei)國斯雅樂氣體(ti)質量(liang)流量(liang)計爲(wei)例，詳細介紹了(le)熱式流(liu)量(liang)計的(de)儀表(biao)計量數據(ju)和配(pei)置參(can)數。熱(re)式氣體質量流量計(ji)具有(you)靈敏(min)度、重複(fu)性高的工業(ye)計量儀表(biao)，尤其(qi)适用于大(da)管徑(jing)、低(di)流(liu)速的(de)測量場合(he)。
　　熱式(shi)氣體流量計是(shi)一種可以直接測量(liang)氣(qi)體質量(liang)流量(liang)的流(liu)量計，其具有(you)重複性(xing)、可靠(kao)性(xing)、穩定性(xing)高和(he)精度高,在(zai)測量現場靈敏度佳(jia)，尤其适用(yong)于大管徑、低流(liu)速的(de)測(ce)量。由于(yu)熱式氣(qi)體(ti)質量(liang)流量(liang)計具有壓(ya)損小(xiao)、機械結構(gou)多樣(yang)、安(an)裝(zhuang)靈活(huo)、使用(yong)方便(bian)諸多(duo)優點，被廣泛應(ying)用于現(xian)場(chang)氣體的流(liu)量(liang)測量。依(yi)據《JJG1132-2017熱式氣(qi)體質(zhi)量流(liu)量(liang)計》檢定(ding)規程(cheng)，對首(shou)次檢(jian)定、後(hou)續檢定和(he)使用中檢定做(zuo)了明(ming)确(que)的技術(shu)要求。
1測量(liang)原理(li)
　　熱式氣(qi)體質量(liang)流量計(ji)探(tan)頭有兩個傳感器，其(qi)中一個(ge)溫度傳(chuan)感器(qi)測(ce)量(liang)管道(dao)内氣體(ti)介(jie)質的(de)溫度，另(ling)一個爲(wei)介質速度(du)傳感器，通過電加熱(re)作用将速度傳(chuan)感器的溫度加(jia)熱至高于(yu)溫度(du)傳感器測(ce)量得(de)到的溫度，并且(qie)保持兩(liang)個傳感(gan)器溫差(cha)的(de)恒定(ding)。當氣(qi)體介質流(liu)動帶走速度傳感器(qi)上(shang)的熱量(liang)時，表頭(tou)上(shang)的電(dian)橋電(dian)路爲保持(chi)兩個傳感(gan)器的溫差(cha)恒定(ding)，速度(du)傳感器(qi)需(xu)要額(e)外進(jin)行電補償(chang)加熱，這個(ge)補償(chang)的加(jia)熱功率大(da)小和氣體介質(zhi)的質(zhi)量(liang)流量成(cheng)正比。在實際應(ying)用中(zhong)，測溫傳感(gan)器通(tong)常(chang)應(ying)用Pt1000或者Pt300，測(ce)速傳感器(qi)一般使用(yong)Pt20。由于(yu)在t℃時(shi)，兩種傳感(gan)器的電阻(zu)變化幅度(du)并不(bu)相同(tong)，這樣(yang)就(jiu)造成電(dian)橋的(de)不平(ping)衡，導(dao)緻電(dian)橋連(lian)接比(bi)較器(qi)輸(shu)人端的(de)電壓(ya)不同(tong)，從而(er)觸發新的加熱(re)動作。
 
　　其中，qm熱式(shi)氣體(ti)質量(liang)流量(liang)計瞬時流量值(zhi)，kg/s;K是流(liu)量計出廠(chang)标定的修(xiu)正系數值;△P熱式流量(liang)計電(dian)橋加熱功(gong)率，kJ/s;C。測(ce)量(liang)氣體介(jie)質的定壓(ya)比熱容，kJ(kg.℃);△t熱(re)式(shi)流(liu)量計(ji)兩個傳(chuan)感(gan)器的溫差值，℃;qvN是氣體(ti)介質(zhi)的标(biao)況體(ti)積流(liu)量,Nm3/h;ρN是氣體(ti)介質的(de)标況密(mi)度值，kg/m3。
　　由式(1)、式(2)可(ke)見，對于(yu)不(bu)同管(guan)徑下的(de)氣體測(ce)量，确定氣(qi)體介(jie)質的(de)前提(ti)下，通(tong)過标定修(xiu)正系(xi)數K值(zhi)就(jiu)能實現(xian)現場瞬時(shi)流量(liang)和累積(ji)流量的(de)計量(liang)。
2電路(lu)仿真
　　熱式(shi)氣體質量(liang)流量計(ji)采(cai)用電橋平衡(heng)電路對(dui)測溫和(he)測速兩(liang)個傳(chuan)感器(qi)進行(hang)激勵，以Pt20和(he)Pt1000的組合爲例，電橋左(zuo)邊回(hui)路R1+Pt20，電(dian)橋右(you)邊回(hui)路(lu)R2+Pt1000;電阻R1的(de)阻值爲4.9Ω，電阻R2的阻值(zhi)爲(wei)270.5Ω，測量Pt1000的(de)阻值就可以計(ji)算出測溫(wen)傳感(gan)器的溫度(du)值。由(you)于通(tong)過(guo)49Ω采樣電(dian)阻和Pt1000的電(dian)流相同，分(fen)别(bie)對(dui)兩個(ge)電阻的電(dian)壓進(jin)行采(cai)集，通過比(bi)率就(jiu)可(ke)以計算出當(dang)前(qian)Pt1000的電阻(zu)值，進而(er)計(ji)算出(chu)測溫傳感器的(de)溫度值。由(you)于采(cai)樣電阻(zu)49Ω對測量(liang)的準确度影響很大(da)，需(xu)要電阻(zu)具備低溫(wen)漂和高精度的(de)特性(xing)，在使用(yong)的(de)過程(cheng)中通(tong)常需(xu)要對(dui)采樣電(dian)阻進行(hang)标定，通常是應(ying)用标準電(dian)阻箱(xiang)接人(ren)Pt1000的位(wei)置，計(ji)算出采樣(yang)電阻(zu)的準(zhun)确電阻值(zhi)與49Ω進行比較，後(hou)續将(jiang)此修(xiu)正系(xi)數帶(dai)人計(ji).算過(guo)程。對熱式橋電(dian)路進行仿真過程如(ru)下:假設管(guan)道内空氣介質(zhi)的溫(wen)度(du)爲20℃，則測(ce)溫傳(chuan)感器(qi)Pt1000的電(dian)阻值(zhi)爲(wei)1077.935Ω。基于上(shang)述電(dian)橋(qiao)特(te)性，測(ce)速傳(chuan)感器(qi)Pt20需達(da)到63.67℃(産生43.67℃溫差)才(cai)能至(zhi)電橋平衡(heng)，停止(zhi)對測(ce)速傳感器(qi)進行(hang)加熱(re)。
 
　　假設測溫(wen)傳感器Pt1000的溫度恒定(ding)在20℃不變(bian)，當(dang)不同流速的空(kong)氣介(jie)質在管道(dao)内流(liu)過測(ce)速傳(chuan)感器(qi)Pt20時，流速越(yue)大帶(dai)走的熱(re)量越多(duo)，即Pt20的溫(wen)度(du)越低，Pt20阻值(zhi)越小(xiao)。分别(bie)假設Pt20的溫(wen)度爲25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，其對(dui)應的電阻(zu)值爲(wei)21.95Ω、22.33Ω、22.72Ω、23.11Ω、23.49Ω、23.88Ω、24.26Ω、24.65Ω;電橋R1阻值(zhi)上的電壓(ya)值分(fen)别爲:2.175V、2.145V、2.115V、2.085V、2.058V、2.030V、2.003V和(he)0.419V。由(you)此可見，熱(re)式氣(qi)體質(zhi)量流量(liang)計(ji)流量越大時，電(dian)橋采(cai)樣電阻(zu)的(de)電壓(ya)值越大，将(jiang)采樣(yang)值與(yu)标(biao)準(zhun)流量(liang)值進(jin)行(hang)對(dui)應就(jiu)可以實現(xian)熱式(shi)氣體(ti)質(zhi)量流量(liang)計的(de)出(chu)廠标定(ding)。同理(li)，假設(she)測溫(wen)傳感器Pt1000的溫度(du)爲70℃(1270.7510)，測速傳(chuan)感器(qi)Pt20如果達(da)到平衡停止(zhi)加熱溫度(du)爲119.77%C(恒溫差49.779C),Pt20在75℃、90℃、110℃下(xia)R1的電(dian)壓值(zhi)分别(bie)爲1.903V、1.834V和1.749V,也驗(yan)證了(le)上述仿真的正(zheng)确性。
3儀表(biao)設置(zhi)
　　工業(ye)現場應用(yong)的熱(re)式氣體質(zhi)量流(liu)量(liang)計種類(lei)繁多，儀表(biao)參數(shu)配置(zhi)也各不相(xiang)同，以熱式(shi)氣體(ti)質量(liang)流(liu)量計爲(wei)例，流(liu)量計的接(jie)線端(duan)子包括:交(jiao)流AC220V供電(dian)、直(zhi)流DC24V供(gong)電;瞬(shun)時流量4mA~20mA信(xin)号輸(shu)出(chu)、工況溫(wen)度4mA~20mA信(xin)号輸出、工(gong)況表壓4mA~20mA信(xin)号輸(shu)出(有(you)些工況現(xian)場并不(bu)進(jin)行溫(wen)壓補(bu)償，所以熱(re)式探頭并(bing)不具(ju)備溫度和(he)壓力(li)測量(liang)功(gong)能(neng))，流量當量(liang)脈沖Pulse信号(hao)輸出;串口(kou)RS22數據(ju)通信接(jie)口(kou);繼電(dian)器Alarm輸(shu)出(chu)接(jie)口。美(mei)國斯雅(ya)樂熱式(shi)氣體(ti)質(zhi)量(liang)流量(liang)計的經典(dian)型号(hao)是640i和780i系(xi)列(lie)流量(liang)計，儀(yi)表(biao)的(de)液晶(jing)采用緊(jin)湊的點陣式(shi)液(ye)晶(jing)，上電(dian)後依(yi)次(ci)顯(xian)示産品版(ban)本(ben)号、儀表(biao)序列号、儀(yi)表的量程(cheng)上(shang)限、氣體(ti)介質(zhi)類型和備(bei)注Tag标(biao)識(shi)。由于LCD的(de)篇幅有(you)限，一個頁面(mian)并不能顯(xian)示完全(quan)所(suo)有的(de)儀表計(ji)量數據(ju)和配置(zhi)參數，并(bing)且工(gong)業儀表配(pei)有防護(hu)外(wai)殼，需要設置菜單的(de)滾動(dong)顯(xian)示(shi)是否(fou)開啓。熱式流量(liang)計的(de)計量(liang)數據(ju)包括(kuo)瞬時流量(liang)、工況(kuang)溫(wen)度、工況(kuang)壓力和(he)累積流(liu)量值，表(biao)頭(tou)也可以根據現場的(de)工藝要求(qiu)設置上限(xian)或下(xia)限告(gao)警動(dong)作。
　　熱(re)式氣(qi)體流(liu)量計的氣(qi)體介質包括:空(kong)氣、二(er)氧化碳、甲(jia)烷(沼氣(qi))和(he)氧氣(qi)。針對現(xian)場(chang)的管(guan)道情況，還需要設置(zhi)管道(dao)内徑(jing)、管道(dao)内(nei)壁(bi)粗糙(cao)度(不同管道材(cai)質會影響氣體計量(liang)的準确度(du)，如碳鋼(gang)和不鏽(xiu)鋼的(de)管道下，氣(qi)體的瞬時流量(liang)值會有少(shao)許變(bian)化)。設(she)置(zhi)瞬(shun)時流(liu)量單(dan)位(wei)、工(gong)況溫(wen)度單(dan)位、工況壓力單(dan)位、設定工(gong)況壓力值、儀表修正系(xi)數、小流(liu)量切(qie)除、校(xiao)準日(ri)期，以(yi)及(ji)電流輸(shu)出通道4mA和20mA校準(zhun)，4mA壓力下限值、20mA壓(ya)力上限值、4mA溫度(du)下限(xian)值、20mA溫(wen)度上(shang)限值，阻尼濾波(bo)值(1~200)。除(chu)了通過儀(yi)表按(an)鍵設(she)置參(can)數之外，也可以(yi)通過(guo)RS232或者RS485連接儀表(biao)配套的上(shang)位機配置(zhi)軟件(jian)，實現(xian)計量數據(ju)的實時采(cai)集記(ji)錄和配置參數(shu)的設置(zhi)。
4結(jie)論
　　熱(re)式氣體質量流(liu)量計的(de)工(gong)作原理，熱式電橋電(dian)路的仿(pang)真(zhen)過程(cheng)和常(chang)規表(biao)頭的(de)參數(shu)設(she)置(zhi)過程。熱式(shi)氣體(ti)流量(liang)計應用兩(liang)個熱電阻(zu)傳感器(分(fen)别測(ce)流(liu)速(su)和測(ce)工況(kuang)溫度),并通(tong)過電(dian)橋電(dian)路調(diao)整兩個傳(chuan)感器(qi)至恒(heng)溫差效果(guo);通過(guo)标定不同(tong)流速下電(dian)橋電(dian)路的(de)加熱(re)功率(lü)，實現熱式(shi)氣體(ti)瞬時(shi)流量(liang)的準(zhun)确計量(liang);通過采(cai)用電(dian)路(lu)仿真的(de)方法對電(dian)橋電路的複雜工作(zuo)過程(cheng)進行了測試，測(ce)溫(wen)傳感器(qi)在不同的(de)工況溫度下，仿真不(bu)同氣體(ti)流(liu)速下(xia)測速(su)探頭(tou)的實(shi)時溫(wen)度(du)值(zhi)，驗證(zheng)了儀(yi)表(biao)标(biao)定可(ke)行性(xing)。熱式氣體(ti)質量(liang)流量(liang)計是(shi)具有(you)較高的靈(ling)敏度(du)和重(zhong)複性(xing)的工業計(ji)量儀表，尤(you)其(qi)适用在(zai)大管徑(jing)、低(di)流速(su)的工(gong)業場合。

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