[发明专利]基于Fuzzy-PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计

说明书

本发明公开Fuzzy‑PI双模无扰切换控制的热式气体质量流量计，包括流量计测量杆、温度传感器恒流源模块、温度传感器模块、温度传感器信号调理模块、速度传感器PWM驱动模块、速度传感器模块、速度传感器信号调理模块、信号处理和主控模块，环形均流板。测量时供电和R_EXT取值，使气体温度测量值的偏差min；补偿/速度电阻位于测量杆底/中部的测量孔，减少后者高温对前者的影响；设环形均流板，改善气流分布的均匀性使流量测量精度提高。Fuzzy‑PI双模控制兼顾气体温度快/慢变工况；通过限制控制量U的改变量ΔU，实现双模控制的无扰切换。补偿/速度电阻为同规格铂电阻，精密电阻为同规格电阻，有利生产；挖掘补偿电阻的电压电流数据，实现流量计的自检和故障诊断。

技术领域

本发明属热式气体质量流量计技术范畴。特指基于恒温差Fuzzy-PI无扰控制，采用环形均流板，速度/温度传感器位于上/下测量孔的热式气体质量流量计。

背景技术

随着科学技术的进步和流程工业自动化程度的提高，流量测量的要求越来越高。流量测量历史悠久，可追溯至古埃及人对尼罗河水的观测；现代意义下的流量测量则始于1738年，第一伯努利方程为基石的差压流量测量法。流量计按测量原理可分为：差压式流量计、容积式流量计、速度式流量计和质量式流量计；热式气体质量流量计隶属质量式流量计。

热式气体质量流量计起源20世纪初的热线风速仪(Hot-Wire Anemometer)。美国托马斯率先设计完成热式气体质量流量计(Thermal Gas Mass Flowmeter，简称TGF)；因流量计传感器与气体直接接触，存在腐烛、磨损和防爆等问题，工业应用受限；故接触式气体质量流量计已逐步被非接触式的热膜气体质量流量计取代。热式气体质量流量计基于传热原理，即基于管道内流体与流量传感器之间的热量交换机理测量流量。利用热量传递、转移效应的流量计称为热分布式气体质量流量计；利用热量消散效应的流量计为浸入式气体质量流量计。根据实现电路的不同，浸入式气体质量流量计进一步细分为：恒功率(电流)和恒温差热式气体质量流量计；本文定位主流的恒温差热式气体质量流量计，以下简称热式气体质量流量计。热式气体质量流量计涉及四种热量交换方式：强迫对流、自然对流、导热和辐射传热，且以强迫对流传热为主。知名的热式气体质量流量计厂家有：美国Brooks、FCI(1964年，率先推出热式流量开关)、日本Hitachi、德国BOSCH等；以及上海华强仪表、昆明埃里伯特等。

热式气体质量流量计成本低廉，原理和结构简单，无可动部件，压力损失小，测量范围大；由于国产热式气体质量流量计的误差机理研究不足，存在测量精度欠佳的短板。补短板是一项系统工程，包括传感器的结构优化、补偿方法的改进、信号处理算法的研究，本文从流量计误差的源由切入，探索消除或减少误差的应对之策。

热式气体质量流量计的理论模型如下式所示：

式中，q_m为质量流量；I_H为速度传感器的加热电流，R_H为速度传感器的电阻，T_H为速度传感器的温度；T_L0为被测气体的温度，T_L为流量计温度传感器测得的被测气体温度(式中未出现)，工程中用T_L近似T_L0；A、B为经验常数。