摘要:介紹了熱式氣體質(zhì)量流量計的測量原理,表頭電路仿真過(guò)程和儀表參數設置。應用兩個(gè)熱電阻傳感器，一個(gè)測流速，另一個(gè)測溫。通過(guò)電橋電路調整兩個(gè)探頭至恒溫差，通過(guò)標定不同流速下的電橋加熱功率實(shí)現熱式氣體瞬時(shí)流量的準確計量。由于儀表電路的復雜性，采用電路仿真的方法對電橋電路進(jìn)行測試，針對不同測溫傳感器的工況溫度值，仿真不同氣體流速下，不同測速探頭的實(shí)時(shí)溫度值，驗證了不同瞬時(shí)流量下測溫探頭的加熱功率并不相同.且具有標定可行性。再以美國斯雅樂(lè )氣體質(zhì)量流量計為例，詳細介紹了熱式流量計的儀表計量數據和配置參數。熱式氣體質(zhì)量流量計具有靈敏度、重復性高的工業(yè)計量?jì)x表，尤其適用于大管徑、低流速的測量場(chǎng)合。
熱式氣體流量計是一種可以直接測量氣體質(zhì)量流量的流量計，其具有重復性、可靠性、穩定性高和精度高,在測量現場(chǎng)靈敏度佳，尤其適用于大管徑、低流速的測量。由于熱式氣體質(zhì)量流量計具有壓損小、機械結構多樣、安裝靈活、使用方便諸多優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應用于現場(chǎng)氣體的流量測量。依據《JJG1132-2017熱式氣體質(zhì)量流量計》檢定規程，對首次檢定、后續檢定和使用中檢定做了明確的技術(shù)要求。
1測量原理
熱式氣體質(zhì)量流量計探頭有兩個(gè)傳感器，其中一個(gè)溫度傳感器測量管道內氣體介質(zhì)的溫度，另一個(gè)為介質(zhì)速度傳感器，通過(guò)電加熱作用將速度傳感器的溫度加熱至高于溫度傳感器測量得到的溫度，并且保持兩個(gè)傳感器溫差的恒定。當氣體介質(zhì)流動(dòng)帶走速度傳感器上的熱量時(shí)，表頭上的電橋電路為保持兩個(gè)傳感器的溫差恒定，速度傳感器需要額外進(jìn)行電補償加熱，這個(gè)補償的加熱功率大小和氣體介質(zhì)的質(zhì)量流量成正比。在實(shí)際應用中，測溫傳感器通常應用Pt1000或者Pt300，測速傳感器一般使用Pt20。由于在t℃時(shí)，兩種傳感器的電阻變化幅度并不相同，這樣就造成電橋的不平衡，導致電橋連接比較器輸人端的電壓不同，從而觸發(fā)新的加熱動(dòng)作。
其中，qm熱式氣體質(zhì)量流量計瞬時(shí)流量值，kg/s;K是流量計出廠(chǎng)標定的修正系數值;△P熱式流量計電橋加熱功率，kJ/s;C。測量氣體介質(zhì)的定壓比熱容，kJ(kg.℃);△t熱式流量計兩個(gè)傳感器的溫差值，℃;qvN是氣體介質(zhì)的標況體積流量,Nm3/h;ρN是氣體介質(zhì)的標況密度值，kg/m3。
由式(1)、式(2)可見(jiàn)，對于不同管徑下的氣體測量，確定氣體介質(zhì)的前提下，通過(guò)標定修正系數K值就能實(shí)現現場(chǎng)瞬時(shí)流量和累積流量的計量。
2電路仿真
熱式氣體質(zhì)量流量計采用電橋平衡電路對測溫和測速兩個(gè)傳感器進(jìn)行激勵，以Pt20和Pt1000的組合為例，電橋左邊回路R1+Pt20，電橋右邊回路R2+Pt1000;電阻R1的阻值為4.9Ω，電阻R2的阻值為270.5Ω，測量Pt1000的阻值就可以計算出測溫傳感器的溫度值。由于通過(guò)49Ω采樣電阻和Pt1000的電流相同，分別對兩個(gè)電阻的電壓進(jìn)行采集，通過(guò)比率就可以計算出當前Pt1000的電阻值，進(jìn)而計算出測溫傳感器的溫度值。由于采樣電阻49Ω對測量的準確度影響很大，需要電阻具備低溫漂和高精度的特性，在使用的過(guò)程中通常需要對采樣電阻進(jìn)行標定，通常是應用標準電阻箱接人Pt1000的位置，計算出采樣電阻的準確電阻值與49Ω進(jìn)行比較，后續將此修正系數帶人計.算過(guò)程。對熱式橋電路進(jìn)行仿真過(guò)程如下:假設管道內空氣介質(zhì)的溫度為20℃，則測溫傳感器Pt1000的電阻值為1077.935Ω�；谏鲜鲭姌蛱匦�，測速傳感器Pt20需達到63.67℃(產(chǎn)生43.67℃溫差)才能至電橋平衡，停止對測速傳感器進(jìn)行加熱。
假設測溫傳感器Pt1000的溫度恒定在20℃不變，當不同流速的空氣介質(zhì)在管道內流過(guò)測速傳感器Pt20時(shí)，流速越大帶走的熱量越多，即Pt20的溫度越低，Pt20阻值越小。分別假設Pt20的溫度為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，其對應的電阻值為21.95Ω、22.33Ω、22.72Ω、23.11Ω、23.49Ω、23.88Ω、24.26Ω、24.65Ω;電橋R1阻值上的電壓值分別為:2.175V、2.145V、2.115V、2.085V、2.058V、2.030V、2.003V和0.419V。由此可見(jiàn)，熱式氣體質(zhì)量流量計流量越大時(shí)，電橋采樣電阻的電壓值越大，將采樣值與標準流量值進(jìn)行對應就可以實(shí)現熱式氣體質(zhì)量流量計的出廠(chǎng)標定。同理，假設測溫傳感器Pt1000的溫度為70℃(1270.7510)，測速傳感器Pt20如果達到平衡停止加熱溫度為119.77%C(恒溫差49.779C),Pt20在75℃、90℃、110℃下R1的電壓值分別為1.903V、1.834V和1.749V,也驗證了上述仿真的正確性。
3儀表設置
工業(yè)現場(chǎng)應用的熱式氣體質(zhì)量流量計種類(lèi)繁多，儀表參數配置也各不相同，以熱式氣體質(zhì)量流量計為例，流量計的接線(xiàn)端子包括:交流AC220V供電、直流DC24V供電;瞬時(shí)流量4mA~20mA信號輸出、工況溫度4mA~20mA信號輸出、工況表壓4mA~20mA信號輸出(有些工況現場(chǎng)并不進(jìn)行溫壓補償，所以熱式探頭并不具備溫度和壓力測量功能)，流量當量脈沖Pulse信號輸出;串口RS22數據通信接口;繼電器Alarm輸出接口。美國斯雅樂(lè )熱式氣體質(zhì)量流量計的經(jīng)典型號是640i和780i系列流量計，儀表的液晶采用緊湊的點(diǎn)陣式液晶，上電后依次顯示產(chǎn)品版本號、儀表序列號、儀表的量程上限、氣體介質(zhì)類(lèi)型和備注Tag標識。由于LCD的篇幅有限，一個(gè)頁(yè)面并不能顯示完全所有的儀表計量數據和配置參數，并且工業(yè)儀表配有防護外殼，需要設置菜單的滾動(dòng)顯示是否開(kāi)啟。熱式流量計的計量數據包括瞬時(shí)流量、工況溫度、工況壓力和累積流量值，表頭也可以根據現場(chǎng)的工藝要求設置上限或下限告警動(dòng)作。
熱式氣體流量計的氣體介質(zhì)包括:空氣、二氧化碳、甲烷(沼氣)和氧氣。針對現場(chǎng)的管道情況，還需要設置管道內徑、管道內壁粗糙度(不同管道材質(zhì)會(huì )影響氣體計量的準確度，如碳鋼和不銹鋼的管道下，氣體的瞬時(shí)流量值會(huì )有少許變化)。設置瞬時(shí)流量單位、工況溫度單位、工況壓力單位、設定工況壓力值、儀表修正系數、小流量切除、校準日期，以及電流輸出通道4mA和20mA校準，4mA壓力下限值、20mA壓力上限值、4mA溫度下限值、20mA溫度上限值，阻尼濾波值(1~200)。除了通過(guò)儀表按鍵設置參數之外，也可以通過(guò)RS232或者RS485連接儀表配套的上位機配置軟件，實(shí)現計量數據的實(shí)時(shí)采集記錄和配置參數的設置。
4結論
熱式氣體質(zhì)量流量計的工作原理，熱式電橋電路的仿真過(guò)程和常規表頭的參數設置過(guò)程。熱式氣體流量計應用兩個(gè)熱電阻傳感器(分別測流速和測工況溫度),并通過(guò)電橋電路調整兩個(gè)傳感器至恒溫差效果;通過(guò)標定不同流速下電橋電路的加熱功率，實(shí)現熱式氣體瞬時(shí)流量的準確計量;通過(guò)采用電路仿真的方法對電橋電路的復雜工作過(guò)程進(jìn)行了測試，測溫傳感器在不同的工況溫度下，仿真不同氣體流速下測速探頭的實(shí)時(shí)溫度值，驗證了儀表標定可行性。熱式氣體質(zhì)量流量計是具有較高的靈敏度和重復性的工業(yè)計量?jì)x表，尤其適用在大管徑、低流速的工業(yè)場(chǎng)合。
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