小流量空氣流量計

質(zhì)量流量計傳感器采用微機械加工技術(shù)，實現(xiàn)微小流量測量，其特點是可靠性高、重復(fù)性好，壓損小，無可動部件，量程比寬，響應(yīng)時間較快，測量精度高，無需要溫度壓力補償，廣泛應(yīng)用于輕工化工環(huán)保及半導(dǎo)體等工業(yè)部門的空氣、氧氣、氬氣、氮氣等氣體的檢測和控制。

工作原理：

感熱式芯片技術(shù)是采用大規(guī)模集成電阻的工作，在芯片上，一個微熱源及分別處于微熱源上下游的溫度傳感器集成在采用MEMS的*工藝制作的鏤空橋面上，采用這這樣的橋式方式制作有利于熱傳導(dǎo)，使動態(tài)響應(yīng)時間大大提高，當(dāng)傳感器工作時，微熱源與環(huán)境溫度之間保持一定的溫差（通常是70℃），在芯片周圍形成固定的溫度場分布，如果氣體是單向流動，則在氣道中溫度場可用下述公式來計算:

式中：氣體流動方向為ｘ，速度為ｖ，ａ為擴散率。如上圖（式）所示，當(dāng)氣體流過芯片時，將會帶走熱量，通過質(zhì)量流量qm和電壓V的對應(yīng)關(guān)系來計算流體的質(zhì)量流量。

產(chǎn)品特點：

·產(chǎn)品集成度高，集瞬間流量顯示、累計流量顯示和信號輸出一體，并可實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)、控制閥門

·微流量感熱式傳感器采用大規(guī)模集成電路生產(chǎn)技術(shù)和材料加工技術(shù)，使流量計的微流量測量靈敏度顯著提升

·微小流量氣體測量，ml/min級的微流量測控，實現(xiàn)微小流量測量的數(shù)字化

·單個芯片的流量特性的微處理技術(shù)，使流量計的量程范圍大大提高

·機電一體化優(yōu)化設(shè)計，智能化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，使流量計具有更好的重復(fù)性，實現(xiàn)了計量的準(zhǔn)確、可靠

·結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，流量計的壓力損失達(dá)到*小化

·新的傳感技術(shù)，使流量計工作更穩(wěn)定、可靠

·零點自校功能，測量更準(zhǔn)確

·多種氣體實際標(biāo)定，全量程補償

·快速響應(yīng)、數(shù)據(jù)自動存儲，配合上位機可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中管理

·規(guī)格齊全，量程范圍寬，可根據(jù)用戶要求單獨標(biāo)定

·精度等級高，滿足用戶高精度測量要求

·的流量計報警功能，使監(jiān)控更可靠

·操作、設(shè)置界面友好、簡便，可根據(jù)需要自行設(shè)定相關(guān)參數(shù)

·運用行業(yè)多，是科研院所、分析儀表行業(yè)、半導(dǎo)體行業(yè)、光伏行業(yè)、玻璃鍍膜、石油化工行業(yè)微小氣體流量控制產(chǎn)品升級換代的優(yōu)選

技術(shù)參數(shù)：

·測量介質(zhì)：各種氣體（乙炔氣和混合氣體除外）

·測量管徑：DN3，6，8，10，12

·流量范圍：30，60，80，100，300，600，800，1000sccm；10，20，30，50，80，100，200，300，500SLPM

·流量測量準(zhǔn)確度：±1.5%FS；±2.5%FS

·工作溫度范圍：-25℃-55℃

·工作壓力范圍：0.3MPa，0.6MPa，1.0MPa

·供電電源：24VDC±10%；

·輸出信號：4-20mA，RS485通訊；

·環(huán)境溫度：-25℃-55℃

·顯示位數(shù)：瞬時流量為三位，累積流量10位。

外觀尺寸：

基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體流量計：

針對傳統(tǒng)熱式流量計測量微小流量精度不高的問題, 基于對流換熱原理, 采用2個參數(shù)一致的鉑熱電阻獲取流量信號的方法, 研制了一種雙速度探頭熱式流量計。分析了流量測量原理以及環(huán)境溫度補償, 簡述了鉑熱電阻加工工藝, 擬合建立了流量測量函數(shù)關(guān)系式。流量計在音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置上實驗的結(jié)果表明該方法可實現(xiàn)對微小流量的測量。

hualu/華陸熱式氣體質(zhì)量流量計為直接式質(zhì)量流量計, 具有測量范圍寬、壓損小、適用于各種管道、過載無損害和適用中低流量測量等諸多優(yōu)點, 得到了廣泛應(yīng)用。當(dāng)前, 熱式氣體質(zhì)量流量計的研究主要集中在4個方面:傳感器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化、補償方法的研究、信號處理算法的研究、復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力。傳統(tǒng)的熱式質(zhì)量流量計采用2個探頭, 一個溫度探頭, 多選用鉑熱電阻Pt1000, 用來測量環(huán)境溫度;一個速度探頭, 多選用Pt20, 用來測量氣體流速。其測量方法大多基于恒溫差和恒流兩種方法。恒溫差型流量計一般采用惠斯登電橋與運算放大器結(jié)合來維持溫差恒定, 實現(xiàn)溫度補償, 當(dāng)環(huán)境溫度變化時就會影響電橋平衡, 表現(xiàn)為零點不穩(wěn)和小流量精度無法保證。另外, 由于溫度補償電阻的非線性以及電阻之間的差異, 導(dǎo)致電路調(diào)試過程比較復(fù)雜, 在一定程度上影響了測量的精度。恒流型流量計是對速度探頭通以恒定的電流加熱, 小流量時有較大的功率, 速度探頭和溫度探頭之間的自然對流換熱不能忽略, 無法保證微小流量的測量精度。恒流式流量計的另一個弊端是本身沒有溫度補償, 文獻(xiàn)[6]給出了恒流型流量計多項式擬合溫度補償算法, 但其是通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié)得到, 僅對文獻(xiàn)給出的電阻絲適用, 不具有普適性。

針對上述問題, 要使得環(huán)境溫度變化不會影響測量結(jié)果, 自然對流換熱不可存在, 在保證精度的前提下不涉及復(fù)雜的控制電路和算法, 且需要提高響應(yīng)速度, 本文提出一種基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體質(zhì)量流量計并給出測量方法。

1 測量原理以及溫度補償

當(dāng)速度探頭被置于流體管道中, 在流態(tài)穩(wěn)定時, 探頭與周圍介質(zhì)處于近似的熱平衡狀態(tài)。按照傳熱學(xué)封閉系統(tǒng)考慮, 此時的系統(tǒng)熱平衡方程

P=Q₁+Q₂+Q₃ (1)

式中:P為電流對速度探頭的加熱功率;Q₁為速度探頭與流體間的對流換熱;Q₂為速度探頭向測量桿構(gòu)架的導(dǎo)熱;Q₃為速度探頭向周圍輻射的熱量。

實際應(yīng)用中, 在誤差允許范圍內(nèi), Q₂、Q₃一般忽略, 對流換熱Q₁起主導(dǎo)作用, 結(jié)合熱消散效應(yīng)的金氏定律, 電路提供給速度探頭的電功率等于管道內(nèi)氣體對流所帶走的熱量, 其表達(dá)式為

P=Q₁=I²_WR_W=hA (T_W-T_C) (2)

式中:I_W為電路供給速度探頭的加熱電流;R_W為速度探頭自身的電阻;h為對流換熱系數(shù);A為速度探頭的散熱表面積;T_W為速度探頭自身的表面溫度;T_C為氣體的溫度。

本研究采用2個參數(shù)一致的Pt20鉑熱電阻, 其測量模型簡化如圖1所示。

當(dāng)鉑熱電阻1工作在任意溫度點T_W1時, 有:

I²_W1R_W1=hA (T_W1-T_C) (3)

當(dāng)鉑熱電阻2工作在任意溫度點T_W2時, 有:

I²_W2R_W2=hA (T_W2-T_C) (4)

其中hA與空氣流量q_m滿足如下關(guān)系^[8]:

hA=B+Cq m ? ? √ hA=B+Cqm(5)

由式 (3) -式 (5) 可得:

q m =[I 2 W1 R W1 ?I 2 W2 R W2 C(T W1 ?T W2 ) ?BC ] 2 qm=[ΙW12RW1-ΙW22RW2C(ΤW1-ΤW2)-BC]2(6)

式中:I_W1和I_W2分別為流過2個鉑熱電阻的電流, 為定值;R_W1和R_W2分別為鉑熱電阻工作在溫度為T_W1和T_W2時的電阻, R_W可直接通過U_W/I_W計算得出, R_W與T_W的近似關(guān)系由式 (7) 給出; B、C為經(jīng)驗常數(shù), 可由實驗標(biāo)定得出。

R_W=R_W0 (1+aT_W+bT²_W) (7)

式中:R_W0為鉑熱電阻在0 ℃時的電阻;a和b為鉑熱電阻的溫度系數(shù)^[9]。

由此便建立了質(zhì)量流量q_m與2個鉑熱電阻電壓U_W1、U_W2的關(guān)系。同時, 通過對上式理論分析可以得出, 大氣溫度T_C的變化對于流量測量結(jié)果沒有任何影響, 即溫度補償更為合理。

2 速度探頭加工工藝以及加熱電流的確定

熱式氣體質(zhì)量流量計速度探頭采用鉑熱電阻Pt20, Pt20元件不宜暴露在氣體中直接使用, 需要對元件進行封裝, Pt20元件的不同封裝工藝會對流量測量結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。在實際應(yīng)用中, 由于流量計大小限制, 2個探頭安裝距離不可能過遠(yuǎn), 在微小流量下, 因2個探頭加熱電流的不同, 存在因溫度不同而產(chǎn)生的自然對流換熱, 為消除自然對流換熱產(chǎn)生的影響, 需要滿足以下公式:

gβ(T W1 ?T W2 )L 3 V 2 ?V 2 (ud) 2 ≤0.3 gβ(ΤW1-ΤW2)L3V2-V2(ud)2≤0.3(8)

式中:β為體脹系數(shù), 1/K;g為重力加速度, m/s²;V為運動黏度, m²/s;L為探頭加熱段長度, m;u為流體速度, m/s;d為探頭直徑, m。

一般取定T= (T_W1+T_W2) /2為定性溫度, 取體脹系數(shù)β=1/T, 式 (8) 可變化為式 (9) :

Ld 20(T W1 ?T W2 )Lg3(T W1 +T W2 ) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? √ ≤u Ld20(ΤW1-ΤW2)Lg3(ΤW1+ΤW2)≤u(9)

DN30管徑下, 流速u為0.2 m/s時, 綜合考慮探頭長度、直徑、加熱溫度等因素, 將Pt20元件封裝為3 mm×10 mm, 在管道豎直插入, 且通過多組實驗分析得出, 當(dāng)一個探頭加熱電流為80 mA, 二個探頭加熱電流為75 mA時, 實驗效果相對較好, 滿足微小流量測量要求。同時考慮實際應(yīng)用時, 希望氣流可以吹2個探頭的同一面, 減小因2個探頭安裝位置不平行帶來的測量誤差, 加工時標(biāo)出Pt20的白藍(lán)面, 為減小Pt20鉑熱電阻引線電阻帶來的測量誤差, 將其捏成四線制, 實物圖見圖2。

3 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

3.1 兩恒定加熱電流的實現(xiàn)

MC1403是2.5 V穩(wěn)壓芯片, OPA547是大電流運放, R₃、R₄為精密基準(zhǔn)電阻, 阻值為10 Ω, 由運放特性可知, 通過調(diào)節(jié)滑動變阻器R₁、R₂即可改變基準(zhǔn)電阻的電壓, 進而調(diào)節(jié)加熱電流, 本設(shè)計要求流過2個Pt20的加熱電流值分別為80 mA與75 mA, 即將2個基準(zhǔn)電阻的電壓值分別調(diào)為0.8 V與0.75 V。

3.2 硬件設(shè)計

hualu/華陸流量計的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。包括恒流模塊、電壓源模塊、傳感器模塊、轉(zhuǎn)換模塊、微控制器和信號輸出、液晶顯示等外圍模塊, 其中恒流模塊按圖3設(shè)計。理論上, 質(zhì)量流量q_m是U_W1和U_W2的函數(shù), 為了測量的準(zhǔn)確性, 對基準(zhǔn)電阻兩端的電壓U_R3和U_R4也進行了采集。采集到的4路電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后獲得氣體的瞬時質(zhì)量流量, 同時對瞬時流量進行了累加。

3.3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案, 根據(jù)HLMFM06熱式氣體質(zhì)量流量計的各功能模塊將軟件劃分為若干子程序, 由主程序調(diào)用, 軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

4 實驗研究與分析

4.1 熱式氣體質(zhì)量流量計特性曲線

本文研究的基于雙速度探頭的熱式氣體質(zhì)量流量計理論上證明是可行的, 但是根據(jù)傳熱學(xué)原理得出的式 (6) , 是涉及2個變量U_W1和U_W2的非線性公式, 式中B、C為未知常數(shù)。故式 (7) 不能用于終氣體的質(zhì)量流量的計算。數(shù)據(jù)處理有多種方法, 其中小二乘法曲線擬合具有各測量點誤差平方和小的優(yōu)點, 也不要求節(jié)點等距, 而且表達(dá)式, 易計算, 適合于工程應(yīng)用^[10]。采用多項式小二乘法擬合曲線, 將終的曲線擬合多項式表示為

q_m (x) =a₀+a₁x+…+a_nxⁿ (10)

式中:變量x為電壓轉(zhuǎn)換系數(shù), W/℃。x=I 2 W1 R W1 ?I 2 W2 R W2 T W1 ?T W2 x=ΙW12RW1-ΙW22RW2ΤW1-ΤW2。

其中, I_W為定值, R_W和T_W的求解方法上文已有描述, 兩者終都可通過U_W求得。

將hualu/華陸流量計與標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生系統(tǒng)通過PVC管對接, 利用標(biāo)準(zhǔn)流量發(fā)生系統(tǒng)先給定一個標(biāo)準(zhǔn)流量并記錄, 在此標(biāo)準(zhǔn)流量下, 記錄被測氣體通過流量計時測量電路所輸出的2個探頭電壓信號U_W1和U_W2。設(shè)置多個不同的標(biāo)準(zhǔn)流量, 將得到與之相對應(yīng)的不同的輸出電壓、, 將電壓轉(zhuǎn)化為變量x之后求出特性曲線的擬合方程q_m (x) , 經(jīng)反復(fù)驗證與分析, 通過四階多項式擬合效果, 擬合誤差小于1%。表1給出2個鉑熱電阻在特征流量點處的電壓數(shù)據(jù)及擬合結(jié)果, 圖6給出流量計特性曲線。

在不同溫度點下, 通過音速噴嘴氣體流量標(biāo)準(zhǔn)裝置, 對流量計進行實驗。管道口徑為DN30, 標(biāo)準(zhǔn)流量為0.5～7.5 kg/h時, 對應(yīng)氣體流速范圍約為0.2～2.3 m/s。按照流量計特性曲線公式進行數(shù)據(jù)擬合, 給出氣體溫度6.3 ℃和11.6 ℃時的實驗結(jié)果, 見表2。4.2 華陸品牌熱式氣體質(zhì)量流量計的流量實驗與分析

5 結(jié)束語從表2數(shù)據(jù)可知, 在不同環(huán)境溫度下, HLMFM06雙速度探頭熱式流量計大部分流量點相對誤差小于2%, 其中中段流量相對誤差較大, 個別流量點相對誤差大于2%小于3%, 且通過多次實驗發(fā)現(xiàn)相對誤差變化不大, 說明雙速度探頭熱式流量計穩(wěn)定性及重復(fù)性好, 溫度補償合理。該方法可實現(xiàn)對氣體微小流量的測量。中段流量測量相對誤差較大暫時未找到原因, 有待進一步研究論證。

本文設(shè)計了基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體質(zhì)量流量計。與傳統(tǒng)熱式流量計相比, 簡化了測量電路, 測量方法不受環(huán)境溫度影響, 使溫度補償更為合理。簡述了速度探頭加工工藝, 消除了傳統(tǒng)熱式流量計在微小流量下探頭之間自然對流換熱的問題。在不同環(huán)境溫度下, 流量計運行效果良好。受實驗條件限制, 未對過低溫和稍高溫環(huán)境進行實驗, 今后若有條件, 會對其開展測試研究。