摘要:介紹了熱式氣體質(zhì)量流量計的測量原理,表頭電路仿真過程和儀表參數(shù)設(shè)置。應(yīng)用兩個熱電阻傳感器，一個測流速，另一個測溫。通過電橋電路調(diào)整兩個探頭至恒溫差，通過標(biāo)定不同流速下的電橋加熱功率實現(xiàn)熱式氣體瞬時流量的準(zhǔn)確計量。由于儀表電路的復(fù)雜性，采用電路仿真的方法對電橋電路進行測試，針對不同測溫傳感器的工況溫度值，仿真不同氣體流速下，不同測速探頭的實時溫度值，驗證了不同瞬時流量下測溫探頭的加熱功率并不相同.且具有標(biāo)定可行性。再以美國斯雅樂氣體質(zhì)量流量計為例，詳細介紹了熱式流量計的儀表計量數(shù)據(jù)和配置參數(shù)。熱式氣體質(zhì)量流量計具有靈敏度、重復(fù)性高的工業(yè)計量儀表，尤其適用于大管徑、低流速的測量場合。
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(fù)性、可靠性、穩(wěn)定性高和精度高,在測量現(xiàn)場靈敏度佳，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(jié)構(gòu)多樣、安裝靈活、使用方便諸多優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)場氣體的流量測量。依據(jù)《JJG1132-2017熱式氣體質(zhì)量流量計》檢定規(guī)程，對首次檢定、后續(xù)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傳感器，其中一個溫度傳感器測量管道內(nèi)氣體介質(zhì)的溫度，另一個為介質(zhì)速度傳感器，通過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，并且保持兩個傳感器溫差的恒定。當(dāng)氣體介質(zhì)流動帶走速度傳感器上的熱量時，表頭上的電橋電路為保持兩個傳感器的溫差恒定，速度傳感器需要額外進行電補償加熱，這個補償?shù)募訜峁β蚀笮『蜌怏w介質(zhì)的質(zhì)量流量成正比。在實際應(yīng)用中，測溫傳感器通常應(yīng)用Pt1000或者Pt300，測速傳感器一般使用Pt20。由于在t℃時，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(dǎo)致電橋連接比較器輸人端的電壓不同，從而觸發(fā)新的加熱動作。
其中，qm熱式氣體質(zhì)量流量計瞬時流量值，kg/s;K是流量計出廠標(biāo)定的修正系數(shù)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熱式流量計兩個傳感器的溫差值，℃;qvN是氣體介質(zhì)的標(biāo)況體積流量,Nm3/h;ρN是氣體介質(zhì)的標(biāo)況密度值，kg/m3。
由式(1)、式(2)可見，對于不同管徑下的氣體測量，確定氣體介質(zhì)的前提下，通過標(biāo)定修正系數(shù)K值就能實現(xiàn)現(xiàn)場瞬時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傳感器進行激勵，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49Ω采樣電阻和Pt1000的電流相同，分別對兩個電阻的電壓進行采集，通過比率就可以計算出當(dāng)前Pt1000的電阻值，進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(zhǔn)確度影響很大，需要電阻具備低溫漂和高精度的特性，在使用的過程中通常需要對采樣電阻進行標(biāo)定，通常是應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)電阻箱接人Pt1000的位置，計算出采樣電阻的準(zhǔn)確電阻值與49Ω進行比較，后續(xù)將此修正系數(shù)帶人計.算過程。對熱式橋電路進行仿真過程如下:假設(shè)管道內(nèi)空氣介質(zhì)的溫度為20℃，則測溫傳感器Pt1000的電阻值為1077.935Ω�；谏鲜鲭姌蛱匦裕瑴y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行加熱。
假設(shè)測溫傳感器Pt1000的溫度恒定在20℃不變，當(dāng)不同流速的空氣介質(zhì)在管道內(nèi)流過測速傳感器Pt20時，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(shè)Pt20的溫度為25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃，其對應(yīng)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，熱式氣體質(zhì)量流量計流量越大時，電橋采樣電阻的電壓值越大，將采樣值與標(biāo)準(zhǔn)流量值進行對應(yīng)就可以實現(xiàn)熱式氣體質(zhì)量流量計的出廠標(biāo)定。同理，假設(shè)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(shè)置
工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用的熱式氣體質(zhì)量流量計種類繁多，儀表參數(shù)配置也各不相同，以熱式氣體質(zhì)量流量計為例，流量計的接線端子包括:交流AC220V供電、直流DC24V供電;瞬時流量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(xiàn)場并不進行溫壓補償，所以熱式探頭并不具備溫度和壓力測量功能)，流量當(dāng)量脈沖Pulse信號輸出;串口RS22數(shù)據(jù)通信接口;繼電器Alarm輸出接口。美國斯雅樂熱式氣體質(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)類型和備注Tag標(biāo)識。由于LCD的篇幅有限，一個頁面并不能顯示完全所有的儀表計量數(shù)據(jù)和配置參數(shù)，并且工業(yè)儀表配有防護外殼，需要設(shè)置菜單的滾動顯示是否開啟。熱式流量計的計量數(shù)據(jù)包括瞬時流量、工況溫度、工況壓力和累積流量值，表頭也可以根據(jù)現(xiàn)場的工藝要求設(shè)置上限或下限告警動作。
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(xiàn)場的管道情況，還需要設(shè)置管道內(nèi)徑、管道內(nèi)壁粗糙度(不同管道材質(zhì)會影響氣體計量的準(zhǔn)確度，如碳鋼和不銹鋼的管道下，氣體的瞬時流量值會有少許變化)。設(shè)置瞬時流量單位、工況溫度單位、工況壓力單位、設(shè)定工況壓力值、儀表修正系數(shù)、小流量切除、校準(zhǔn)日期，以及電流輸出通道4mA和20mA校準(zhǔn)，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)。除了通過儀表按鍵設(shè)置參數(shù)之外，也可以通過RS232或者RS485連接儀表配套的上位機配置軟件，實現(xiàn)計量數(shù)據(jù)的實時采集記錄和配置參數(shù)的設(shè)置。
4結(jié)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程和常規(guī)表頭的參數(shù)設(shè)置過程。熱式氣體流量計應(yīng)用兩個熱電阻傳感器(分別測流速和測工況溫度),并通過電橋電路調(diào)整兩個傳感器至恒溫差效果;通過標(biāo)定不同流速下電橋電路的加熱功率，實現(xiàn)熱式氣體瞬時流量的準(zhǔn)確計量;通過采用電路仿真的方法對電橋電路的復(fù)雜工作過程進行了測試，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時溫度值，驗證了儀表標(biāo)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(fù)性的工業(yè)計量儀表，尤其適用在大管徑、低流速的工業(yè)場合。
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