小流量空氣流量計

質量流量計傳感器采用微機械加工技術，實現(xiàn)微小流量測量，其特點是可靠性高、重復性好，壓損小，無可動部件，量程比寬，響應時間較快，測量精度高，無需要溫度壓力補償，廣泛應用于輕工化工環(huán)保及半導體等工業(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，使動態(tài)響應時間大大提高，當傳感器工作時，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，當氣體流過芯片時，將會帶走熱量，通過質量流量qm和電壓V的對應關系來計算流體的質量流量。

產品特點：

·產品集成度高，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)模集成電路生產技術和材料加工技術，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，使流量計的量程范圍大大提高

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

·結構的優(yōu)化，流量計的壓力損失達到*小化

·新的傳感技術，使流量計工作更穩(wěn)定、可靠

·零點自校功能，測量更準確

·多種氣體實際標定，全量程補償

·快速響應、數(shù)據(jù)自動存儲，配合上位機可實現(xiàn)網絡集中管理

·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、設置界面友好、簡便，可根據(jù)需要自行設定相關參數(shù)

·運用行業(yè)多，是科研院所、分析儀表行業(yè)、半導體行業(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品升級換代的優(yōu)選

技術參數(shù)：

·測量介質：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)關系式。流量計在音速噴嘴氣體流量標準裝置上實驗的結果表明該方法可實現(xiàn)對微小流量的測量。

hualu/華陸熱式氣體質量流量計為直接式質量流量計, 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, 得到了廣泛應用。當前, 熱式氣體質量流量計的研究主要集中在4個方面:傳感器結構的優(yōu)化、補償方法的研究、信號處理算法的研究、復雜環(huán)境的適應能力。傳統(tǒng)的熱式質量流量計采用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合來維持溫差恒定, 實現(xiàn)溫度補償, 當環(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, 導致電路調試過程比較復雜, 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[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)總結得到, 僅對文獻給出的電阻絲適用, 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果, 自然對流換熱不可存在, 在保證精度的前提下不涉及復雜的控制電路和算法, 且需要提高響應速度, 本文提出一種基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體質量流量計并給出測量方法。

1 測量原理以及溫度補償

當速度探頭被置于流體管道中, 在流態(tài)穩(wěn)定時, 探頭與周圍介質處于近似的熱平衡狀態(tài)。按照傳熱學封閉系統(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架的導熱;Q₃為速度探頭向周圍輻射的熱量。

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

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的近似關系由式 (7) 給出; B、C為經驗常數(shù), 可由實驗標定得出。

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]。

由此便建立了質量流量q_m與2個鉑熱電阻電壓U_W1、U_W2的關系。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果產生較大的影響。在實際應用中, 由于流量計大小限制, 2個探頭安裝距離不可能過遠, 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生的自然對流換熱, 為消除自然對流換熱產生的影響, 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, 加工時標出Pt20的白藍面, 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為精密基準電阻, 阻值為10 Ω, 由運放特性可知, 通過調節(jié)滑動變阻器R₁、R₂即可改變基準電阻的電壓, 進而調節(jié)加熱電流, 本設計要求流過2個Pt20的加熱電流值分別為80 mA與75 mA, 即將2個基準電阻的電壓值分別調為0.8 V與0.75 V。

3.2 硬件設計

hualu/華陸流量計的硬件結構圖如圖4所示。包括恒流模塊、電壓源模塊、傳感器模塊、轉換模塊、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設計。理論上, 質量流量q_m是U_W1和U_W2的函數(shù), 為了測量的準確性, 對基準電阻兩端的電壓U_R3和U_R4也進行了采集。采集到的4路電壓信號經過數(shù)據(jù)處理后獲得氣體的瞬時質量流量, 同時對瞬時流量進行了累加。

3.3 軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化結構的設計方案, 根據(jù)HLMFM06熱式氣體質量流量計的各功能模塊將軟件劃分為若干子程序, 由主程序調用, 軟件結構如圖5所示。

4 實驗研究與分析

4.1 熱式氣體質量流量計特性曲線

本文研究的基于雙速度探頭的熱式氣體質量流量計理論上證明是可行的, 但是根據(jù)傳熱學原理得出的式 (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, 而且表達式, 易計算, 適合于工程應用^[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/華陸流量計與標準流量發(fā)生系統(tǒng)通過PVC管對接, 利用標準流量發(fā)生系統(tǒng)先給定一個標準流量并記錄, 在此標準流量下, 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。設置多個不同的標準流量, 將得到與之相對應的不同的輸出電壓、, 將電壓轉化為變量x之后求出特性曲線的擬合方程q_m (x) , 經反復驗證與分析, 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準裝置, 對流量計進行實驗。管道口徑為DN30, 標準流量為0.5～7.5 kg/h時, 對應氣體流速范圍約為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 ℃時的實驗結果, 見表2。4.2 華陸品牌熱式氣體質量流量計的流量實驗與分析

5 結束語從表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。

本文設計了基于雙速度探頭的微小流量熱式氣體質量流量計。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。