一种基于单传感器的热式气体流量测量方法

　　热式气体流量计是基于早期热线风速计的基础上发展起来的一种新型气体流量检测仪表, 具有压损低, 流量范围大, 精度高, 无可动部件及低流量测量等优点, 已广泛应用于航空、航天、能源、医学、汽车工业以及天然气管道运输等行业[ 1-2] 。它的基本原理是基于加热传感元件的对流传热。当有气体流过加热元件表面时, 会带走一部分热量, 引起加热元件阻值的变化, 这个变化量与气体的流量和温度有关。目前,热式气体流量计按照传感器的电路工作模式分为恒流式和恒温式。恒温式测量电路具有易于使用, 频带宽, 低噪声等优点, 在实际应用中非常广泛。

　　恒温热式流量计一般采用2 金属铂电阻, 分布在一个惠斯顿电桥的两臂, 分别用于测量流体的温度( 温度传感器) 与流体的速度( 流量传感器) 。测量电路中通过运算放大器形成负反馈, 保证流量传感器的工作温度恒定。温度传感器用于测量流体的温度, 实现对流量测量的温度补偿[ 3-5] 。由于温度补偿电阻的非线性以及电阻之间的差异, 导致电路调试过程比较复杂, 在一定程度上影响了测量的精度[ 3 , 6] 。文献[ 7] 虽然提出了2 种相同的恒温测量电路工作在不同的温度下的测量方法, 但是没有给出实验数据。文献[ 8-9] 在文献[ 7] 的基础上, 提出了基于单传感器的温度补偿方法, 但是测量过程需要切换电桥桥臂的电阻, 电路比较复杂, 而且运放的偏置电压对测量结果有一定的影响, 导致测量误差较大。

　　针对当前恒温热式流量计存在的问题, 本文提出了一种基于单传感器的流量测量方法。采用单一铂电阻PT 20 作为测量元件, 设计了气体流量测量电路, 在无额外补偿电阻的情况下, 通过温度控制算法控制铂电阻工作在两个不同的设定温度, 由两个不同温度下铂电阻的输出电压计算出气体的流量,消去了气体温度对测量的影响, 实现了气体流量的测量以及温度补偿, 提高了测量精度。

　　1 铂电阻温度特性研究

　　铂电阻PT 20 的温度特性实验如图1 所示。铂电阻放置在温度可调的恒温箱中, 加上某一恒定电流I, 在不同的工况条件下, 测量电阻两端电压V,然后计算铂电阻的大小及工作温度。

　　实验中恒温箱型号为101-3 型, 温度计采用NOKONIX 数字温度计, 电压表型号为VC9807A。铂电阻加上70 mA 的电流时, 首先从低到高调节恒温箱的温度, 同时记下对应温度下铂电阻的电压。然后从高到低调节恒温箱的温度, 记下铂电阻的电压, 来回重复5 次, 获得10 组测量数据。分别将同一环境温度下的10 个数据平均后, 计算出该环境温度下铂电阻的阻值, 同时计算出铂电阻的工作温度和温差( 铂电阻的工作温度与环境温度之间的差值) 。实验数据见表1 所示。