[发明专利]恒流法热式气体质量流量计及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于恒电流法的热式气体质量流量计。

背景技术

对于传统的热式气体质量流量计，其测量方法主要分为两类：恒温差法和恒功率法。

热式流量计其基本结构如图1所示。

传感器核心部分由速度探头和温度探头组成，利用探头电阻值大小随温度变化关系并结合传热学原理来实现流量信号的采集。通过对速度探头通以一定电流加热，使之与管道中流过的气体产生强迫对流换热，换热量与质量流量成正比，从而实现流速测量；而温度探头则用于测量流体温度，实现温度补偿。

热式气体质量流量计的基本模型如公式(1)所示：

qm=[1B1(Iw2RwTw-Tc)-A1B1]2---(1)]]>

其中，q_m表示质量流量，I_w表示速度探头加热电流；R_w表示速度探头电阻；T_w为速度探头温度；T_c为流体温度；A₁、B₁为常数。

根据公式(1)，进一步分析可以得出热式流量计最基本的两种测量方法。当T_w-T_c＝常数时，质量流量q_m与加热电功率有一一对应关系，过拟合这两者之间的关系从而测量质量流量的方法叫做恒温差法。同样，当质量流量q_m与温差T_w-T_c有一一对应关系，通过拟合他们之间的关系从而测量质量流量的方法叫做恒功率法。

恒温差法系统框图如图2所示。主要包括五个部分：电桥部分、差分放大部分、PI控制器部分、静态电源偏置及加法器部分、功率放大部分(电流放大部分)。每一部分电路参数都需要正确匹配，尤其是PI控制器的参数设置，需要大量经验和实验，甚至仿真调试，因此，其电路实现和调试比较复杂。

另外，恒温法必须增加额外的温度补偿电路。而这是目前研究的难点，还没有厂家能够很好解决。

恒功率法电路实现比较困难，在热式流量计中很少被采用。其调节过程如图3所示。随着流量变化，带走的热量也变化，电阻R_w变化，电功率也因此变化，所以需要改变加热电流I_w，但是R_w也会随之而变，进而进入一个循环。所以，如何设计高效的控制电路和控制算法，使得保持恒定，是一个难题。尤其是，铂热电阻的热惯性很大，这就要求有很好的前馈控制，进一步增加了设计难度。

从以上分析可以看出，不管是恒温差法还是恒功率法，都需要设计高效的控制算法和控制电路，以实现温差或者功率恒定，这加大了硬件电路和软件系统的复杂性，而且也使得系统响应变慢。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种具有响应速度快、测量准确，硬件电路实现更为简单和不受环境温度影响等特点的恒流式热式质量流量计，并给出该流量计的测量方法，以实现质量流量的准确测量。