外夹热式小口径气体质量流量测量装置的设计

张玉峰，陈远江，严砚华，彭磊

（武汉军械士官学校，武汉430075）

外夹热式小口径气体质量流量测量装置的设计

张玉峰，陈远江，严砚华，彭磊

（武汉军械士官学校，武汉430075）

设计的外夹热式小口径气体质量流量测量装置，是一种可以在管道外部安装的流量测量装置，主要由卡具、测量装置电路等组成。介绍了基本工作原理、安装方法，分析了测量电路，研究了温度补偿方法。对输出电压和流量的关系进行基于最小二乘法的多项式拟合，应用结果表明外夹热式小口径气体质量流量测量装置测量方法简单、实用，能够进行空气流量的精确测量，尤其适用小口径管路的气体质量流量测量。

外夹热式气体质量流量测量

0　引言

工业生产过程中，流量测量是工业控制的一大领域，流量与温度、压力和物位一起称为工业控制的四大参数，通常通过这些参数对生产过程进行监视与控制，对气体流量进行正确的测量是保证生产安全、经济运行、提高产品质量、降低消耗、提高效益、实现科学管理的基础［1］。热式气体质量流量计是新发展起来的一种新型气体流量检测传感器，这种传感器压力损失低、流量量程大、测量高精度和运行可靠性高等优点，在生物工程、水利建设、航空航天、管道输送、汽车工业、军事工程等领域都有广泛应用。目前，热式气体质量流量测量，需要改变管道的结构，将测量传感器插入或串接到气体管道中，结构复杂，不易安装，尤其是对小口径管路的气体质量流量测量非常困难。本文设计了一种气体质量流量测量装置，该装置外夹在所测气体质量流量管的外侧，用螺栓固定，测量方法简单、实用，尤其适用小口径管路的气体质量流量测量。

1　硬件设计

1.1测量原理

外夹热式小口径气体质量流量测量装置属于热式气体质量流量测量装置，根据托马斯（Thomas）气体的放热量或吸热量与该气体的质量流量成正比的理论，当传感器探头被外热源加热，有气体流过被加热传感器探头，气体就会带走传感器探头的部分热量，这时传感器探头本身的温度就会发生变化，测量因气体流动而造成的传感器探头温度变化，就可间接测量出气体在管道内的质量流量［2］。

据托马斯理论方程如下：

式（1）中：εf―在单位时间内系统消耗的电能；C―流过传感器探头表面的气体定压比热；q―管道内气体的质量流量；ΔT―气体流过传感器探头表面，导致的电热丝温度差。

由上式可得到气体的质量流量表达式：

由（2）式中可知：因为流过传感器探头表面的定压比热C不变，是一个常数，所以管道内气体的质量流量q随着电能消耗εf和温度差ΔT的变化而变化，要计算管道内气体质量流量值，可保持电能消耗εf或温度差ΔT一个量为定值，测得另外一值即可。如若保持的温度差ΔT为恒定值，只需测量电能消耗量εf代入（2）式即可求得管道内气体的质量流量q。

1.2测量装置组成

测量装置机械部分主要由卡具、测量装置电路等组成。

1.2.1卡具

卡具由两半圆型外卡、四个半圆型内卡组成。两半圆型外卡内充满隔热胶，通过六个螺栓固定，形成筒形结构，见图1。隔热胶内镶嵌有四个半圆型内卡，左半圆型内卡镶嵌铂电阻R5和测温电阻RH，接线通过孔引出，见图2。

图1　测量装置卡具外形

图2　测量装置卡具剖视图

1.2.2测量装置电路

测量装置电路由补偿电阻R5、测温电阻RH、仪表用放大器AD623、巴特沃斯低通滤波器OPA333和由R1、R2、R3、Rk2、R4组成的桥式电路等组成。

测量装置电路见图3。补偿电阻R5选用具有正温度系数的铂电阻，测温电阻RH选用铂电阻Pt20，铂电阻Pt20电阻值比较小，电阻的温度系数比较大，当气体流过铂电阻Pt20的表面时，气体会带走部分热量，铂电阻Pt20的表面温度会下降。当有较大电流流过铂电阻Pt20时，电阻温度迅速上升。由于铂电阻Pt20输出信号比较微弱，其供电压需要相对稳定，为满足相应要求，电路才用LM385和一个2.5 k的电阻R0使其电压稳定在2.5V，再通过OP07组成电压跟随器，使输入阻抗高输出阻抗低，信号更加稳定，起到了承上启下的作用。放大电路采用仪表用放大器AD623，该电路在单电源供电的情况下，可以得到很高的性能，输出的电压可以达到整个电源幅值要求的范围，放大增益可以利用电阻调整，调整范围为1～1000。电路的增益电阻选择200 Ω，增益电阻放大倍数500倍。电路的滤波电路采用TI公司的OPA333组成2阶巴特沃斯低通滤波器，OPA333具有超低失调（2 μV），超低静态电流（17 μA），低至1.8V的工作电压以及SOT23封装体积小巧。

2　基本原理

2.1工作原理

隔热胶和四个半圆型内卡，按所测气体质量流量的管径，做成不同的内径尺寸。使用时，旋开六个固定螺栓，将充满隔热胶的两半圆型外卡、四个半圆型内卡、补偿电阻和测温电阻Pt20套在所测气体质量流量管的外表面，用六个螺栓固定。当气体静止不动时，电路中的电桥处于平衡状态，当管路中气体流量增大时，气体会带走Pt20表面的热量，这时Pt20的电阻值下降，电桥失去平衡，使电路中运放放大器AD623输出的电压增大，经过OPA333组成的滤波电路，控制流过电阻Pt20的电流增大，Pt20电阻温度迅速上升。所以，由于负反馈的作用，当气体流速或流量增大时，Pt20电阻温度上升，补充丧失的热量，输出电压增大；当气体的流速或流量减小时，Pt20表面的热量丧失小，Pt20电阻温度上升慢，输出电压也随之减小，控制器就可由输出电压大小计算出气体的质量流量。

图3　测量装置电路

2.2温度校正

为对环境温度变化进行自动补偿，在测量装置电路电桥中加入一个温度补偿电阻R5。在电桥中与测温电阻Pt20相对的桥臂，制成包含补偿电阻R5的串并联电路，其中的R5为具有正温度系数的铂电阻，将R5安放在与测温电阻Pt20相同的流场中。补偿电路设计的依据是测温电阻Pt20的温度特性和补偿铂电阻的电阻温度参数［3］，为了使流量测量装置输出不随环境温度变化，理论上应满足在任何环境温度下：

式（3）中：是桥臂电阻。根据公式（3），选取合适的参数（R3，R4，R5），就使得当环境温度变化时，R4与RH的比值保持不变。

3　测试结果

为了测试外夹热式小口径气体质量流量测量装置的性能，本文在20℃环境温度下，用直径为10 mm的管路进行实验。实验采用音速喷嘴法气体流量标准装置，音速喷嘴由于精度高、复现性好、工作性能稳定、尺寸紧凑，已成为工业部门气体流量的计量传递标准和作为高精度气体流量给定装置。测试通过示波器测量和记录输出电压，实验从小到大控制气体流量。对测出的输出电压与流量的关系，进行基于最小二乘法的4阶多项式拟合［4］，建立外夹热式小口径气体质量流量测量装置的数学模型，拟合曲线如图4所示。

图4　气体流量与输出电压实验数据图

由图4可见，外夹热式小口径气体质量流量测量装置，气体流量与输出电压实验数据悉拟合曲线与标定结果进行精确的匹配，说明外夹热式小口径气体质量流量测量装置可以进行精确的测量。

4　结束语

本文介绍了外夹热式小口径气体质量流量测量装置的的基本原理，分析了流量传感器的测量电路原理，外夹热式小口径气体质量流量测量装置具有测量重复性好，可以进行精确的测量，安装简单等优点，适合于细小管道的气体流量的测量。

［1］朱良，谭德荣，赵玮.热线式空气流量计的测量技术［J］.山东理工大学学报（自然科学版），2006，20（3）：81-84.

［2］赵伟国，宋执环，黄震威等.基于热膜探头的新型气体流量传感器研究［J］.仪器仪表学报，2009，30（5）：1073-1077.

［3］吴克.刚温差式热膜空气质量流量传感器［J］.长安大学学报（自然科学版），2002，22（5）：86-88.

［4］刘伟，丁水汀，赵立峰.热膜式空气质量流量传感器动态特性研究［J］.传感器与微系统，2014，33（5）：15-17.

Design of Outside External Clip Hot Typesmall Gas Mass Flow Measurement Device

Zhang Yufeng，Chen Yuanjiang，Yan Yanhua，Peng Lei
（Wuhan Ordnance Noncommissioned Officerschool，Wuhan 430075，China）

The outside heat typesmall gas mass flow measurement device is a device to be installed outside the pipe，which is mainly composed of the fixture，measurement device circuit，etc.This paper introduces the basic working principle，installation method，analyzes the measurement circuit，andstudies the temperature compensation method.Polynomial fitting is used for relationship between the outputVoltage and flow based on leastsquares.The application resultsshow that the measurement method for the device issimple and practical，and it can accomplish the measurement of the air flow，especially forsmall diameter pipeline gas mass flow measurement.

external clip；hot type；gas quality；flow measurement

TP212

A

1003-4862（2015）10-0031-03

2015-07-15

张玉峰（1959-），男，教授，长期从事装备维修教学与研究工作。